高速切削与刀具动平衡技术(上)

　　“一些研究人员提出，刀具合理的平衡质量等级可按以下方式确定：对于金属切除量较大的粗加工(如飞机整体铝合金构件、大型模具的模腔、铝合金壳体等的加工)，刀具平衡质量等级达G16即已足够，但当这种粗加工消耗功率较大时，在15000～24000r／min转速范围内则可采用G6.3～G8.0，以减小不平衡力对主轴轴承的附加载荷。对于精加工，则要求刀具系统的平衡质量等级至少应达G6.3。”

　　1.引言

　　从二十世纪八十年代开始，随着现代制造技术的快速发展，金属切削加工进入了以高速切削为代表的发展阶段。

　　由于高速切削技术具有明显的技术优势，目前已在工业发达国家的汽车、飞机、模具等工业制造领域得到广泛应用，产生了巨大的技术经济效益，并显示出在二十一世纪现代制造技术发展中具有的重要地位和广阔应用前景。

　　“高速切削”目前还是一个发展中的相对概念。对于不同的工件材料和不同的加工工序，要求达到的切削速度并不相同，通常可将切削速度(或进给速度)较普通切削提高5～1O倍归入高速切削范畴。

　　高速切削的实现需要建立在机床、刀具等相关领域最新技术成果的基础上。目前，高速切削主要应用于在加工中心机床上采用铣刀、镗刀、孔加工刀具等旋转刀具进行的切削加工，所用加工中心机床的主轴转速通常在lO000r/min以上。当加工中心机床主轴转速高达lO000r/min以上时，高速旋转的刀具(包括夹持刀柄)存在的不平衡量所产生的离心力将对主轴轴承、机床部件等施加周期性载荷，从而引起振动，这将对主轴轴承、刀具寿命和加工质量造成不利影响。因此，高速切削加工对旋转刀具提出了严格的动平衡要求。研究高速旋转刀具的动平衡技术、有效控制刀具不平衡量是研制开发和推广应用高速切削技术的必要前提和配套技术。德国的切削行业对高速旋转刀具动平衡技术做了大量研究开发工作，本文结合有关报导对高速切削刀具动平衡技术的研究现状及一些相关问题作一介绍。

　　2.动平衡的一般概念

　　旋转刀具的动平衡原理与一般旋转零件的动平衡原理相似。首先，刀具结构的设计应尽可能对称；其次，在需要对刀具进行平衡时，可根据测出的不平衡量采用刀柄去重或调节配重等方法实现平衡。由于刀具品种不同，具体采用的平衡方法也不相同。法国EPB公司特制的平衡刀具(柄)产品内装了平衡配重机构，并设置了配重刻度，通过转动配重环，调整其相对位置，即可补偿因刀具结构不对称或调刀引起的不平衡量；德国Walter公司的高速面铣刀则采用螺钉调节不平衡量。

　　对于普通的刀具或工具系统，可由刀具制造商或用户借助于平衡机进行平衡。但是，如何科学、定量地规定和评价刀具的平衡质量以及在不同加工条件下允许的刀具不平衡量，是刀具制造商和用户关心的首要问题。为此，有必要介绍一下机械转子动平衡的一般概念。

　　IS0 1940《刚性转子的动平衡质量要求》标准规定，一个转子的不平衡量(或称残留不平衡量)用U表示(单位为gmm)，U值可在平衡机上测得；某一转子允许的不平衡量(或称允许残留不平衡量)用Uper表示。从实际平衡效果考虑，通常转子的质量m(kg)越大，其允许残留不平衡量也越大。为对转子的平衡质量进行相对比较，可用单位质量残留不平衡量e表示，即e=U/m(gmm/kg)，相应地即有eper=Uper/m。U和e是转子本身对于给定回转轴所具有的静态(或称准动态)特性，可定量表示转子的不平衡程度。从准动态的角度看，一个用U、e和m值表示其静态特性的转子完全等效于一个质量为m(kg)、且其重心与回转中心的偏心距为e(μm)的不平衡转子，而U值则为转子质量m(kg)与偏心距e(μm)的乘积。因此，也可将e称为残留偏心量，这是e的一个很有用的物理含义。

　　实际上，一个转子平衡质量的优劣是一个动态概念，它与使用的转速有关。如ISO 1940标准给出的平衡质量等级图上一组离散的标有G值的45°斜线表示不同的平衡质量等级，其数值为eper(gmm／kg)与角速度ω(rad／s)的乘积(单位为mm／s)，用于表示一个转子平衡质量的优劣。例如，某个转子的平衡质量等级G＝6.3，表示该转子的e值与使用时ω值的乘积应小于或等于6.3。使用时，可根据要求的平衡质量等级G及转子可能使用的最大转速，从图上查出转子允许的eper值，再乘以转子质量，即可求出该转子允许的不平衡量。

　　接下来的问题是如何确定高速旋转刀具的合理平衡质量等级G，从而得出在最高使用转速下要求的Uper值。

　　3.合理平衡质量等级的确定

　　为了确定高速旋转刀具统一的合理平衡质量等级G，由德国政府和机器制造商协会(VDMA)所属精密工具专业委员会牵头成立了工作组，将刀具动平衡技术作为一个“要求公开”的项目进行了系统研究。研究组的成员来自相关行业及技术领域，如刀具、机床和平衡机制造行业、用户行业、大学和研究机构等。根据他们的研究结果，提出了“高速旋转刀具系统平衡要求”的指导性规范(FMK—Richtlinie)。

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