刀具动平衡技术

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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)。

   
　　该规范有三个要点：

   
　　(1)认为对刀具平衡质量等级的要求是由上限值和下限值界定的一个范围，大于上限值时刀具的不平衡量将对加工带来负面影响，而小于下限值则表明不平衡量要求过严，这在技术和经济上既不合理且无必要。

   
　　(2)以主轴轴承动态载荷的大小作为刀具平衡质量的评价尺度，并规定以G16作为统一的上限值。由于切削加工条件以及影响加工效果因素的多样性，以加工效果的好坏作为刀具平衡的评价尺度并不能普遍适用，而因刀具不平衡引起的主轴轴承动态载荷的大小则是与不平衡量直接相关的参数，因此提出以主轴轴承动态载荷的大小作为制定统一平衡要求的依据。   


　根据VDI加56(DIN／ISO10816)“机械振动评定标准”的规定，可将使主轴轴承产生最大振动速度(1～2.8mm／s)的不平衡量作为刀具系统允许不平衡量的上限值。当以lmm/s或2.8mm/s的振动速度作为评价尺度时，不同重量的HSK一63刀柄在一定转速范围内所允许的平衡质量等级G的上限值(三条曲线b)表明，G的上限值与刀具的质量、转速和选定的机床主轴振动速度有关，且分散在一个较大范围内。工作组选取振动速度1.2mm/S、2mm/s、转速范围10000～40000r/min、重量0.5～10kg的不同规格HSK刀柄，计算出27个G的上限值，其中最大G值达201，最小G值仅为9。

   
　　综合考虑高速旋转刀具的安全要求和使用的方便性，工作组提出一个折衷的刀具系统平衡等级要求，即选取G16作为统一的上限值，这样除无法满足一个G9值外，可满足计算所得全部G值覆盖的加工条件范围(即转速为l0000～40000r/min，刀具系统重量为0.5～12kg，振动速度为2mm/s)。

   
　　(3)确定刀具系统合理不平衡量的下限值为刀具系统安装在机床主轴上时存在的偏心量(单位为)，根据现有机床制造水平，该值通常为2～5μm(根据每台机床的具体情况而略有不同)。以安装偏心量作为下限值，表明将刀具系统的允许残留偏心量eper(μm)平衡到小于2～5μm并无意义。当转速在40000r/min以下时，上限值G16所对应的允许残留偏心量eper值(μm)(或单位重量允许残留不平衡量，gmm／kg)均大于刀具系统的换刀重复定位精度值(仅当转速等于40000r／min时，eper=4μm)。因此．规定上限值为G16、下限值为2～5μm(或gmm／kg)既可防止不平衡量过大对机床主轴的不利影响，又具有技术、经济合理性。此外，G16的规定还满足了高速旋转刀具安全标准(E DIN EN ISO15641)中规定刀具平衡等级应优于G40的要求。

   
　　该指导性规范还要求刀具的内冷却孔必须对称分布．否则可灌满冷却液封死洞口后再进行动平衡；并提出必要时可将刀具和机床主轴作为一个系统进行平衡．即首先分别对主轴和刀具(或工具系统)进行平衡．然后将刀具装入主轴后再对系统整体进行平衡。

   
　　4.关于刀具平衡质量等级的讨论

   
　　虽然德国已出台了有关刀具系统平衡质量的指导性文件以及统一的G16平衡质量等级规定．但仍存在不少关于刀具系统平衡质量等级的争议与讨论。归纳起来主要有以下两方面的问题：

   
　　(1)G16的平衡质量等级规定给人一种“要求降低”的感觉，一般用户已习惯了较高的平衡质量等级，仍要求刀具制造商提供G2.5(最大使用转速20000r／min)的刀具。另一方面，刀具制造商从市场竞争的需要出发．也尽可能使产品的平衡质量等级优于G16。因此，在现阶段，工具制造商(包括刀具、刀柄、夹头制造商)除满足用户提出的特殊使用条件及平衡要求外，都是根据各自的产品特点及制造水平自行规定产品出厂的平衡质量等级。一些大型用户企业如Bosch Technology公司、Daimler Chrysler Aerospace公司等则根据刀具的使用条件规定企业内部的平衡质量等级。

   
　　(2)德国Ulm高等专科学校的Uwe.Kolb等人通过试验发现，在三台平衡机上由不同操作者对同一把重量为0.87kg、使用HSK63刀柄的整体刀具进行多次测量，得出的不平衡量最小为4.76Ogmm，最大为10.55Ogmm，可以计算出，在使用转速=15000r／min时，前者相当于G9，后者则相当于G19，G值的分散范围接近l0。对8种常用刀具一刀柄组合系统进行的类似试验进一步证明了这种分散性，试验结果表明，所有测量数据都达不到G2.5，甚至G6.3也不是在所有转速下均能达到。研究人员指出，这种不平衡量的不确定性与缺乏统一的测量仪器和测试方法有关。目前，用于测量不平衡量的动平衡机既有专业厂家生产的通用型(一般为卧式)，也有专为刀具动平衡而开发的专用型(一般为立式)。试验结果表明，不同的操作者使用不同类型的动平衡机对相同刀具测得的不平衡量数据并不一致。这也是目前用户难以重复测出刀具制造商测定的不平衡量的主要原因。

   
　　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。也不排除采用更高的平衡质量等级(甚至可比FKM规范的下限值更小)，这就需要对装入主轴后的工具系统与主轴作为一个整体进行在线平衡。

   
　　目前，德国Schunk公司新推出的带液压胀紧夹头的HSK63整体结构刀柄的出厂平衡质量等级为G6.3，其残留不平衡量为4gmm，推荐转速为15000r/min。该公司生产的可精细调节平衡的液压胀紧夹头的使用转速可达50000r/min。

   
　　5.刀具在线平衡系统

   
　　用户在加工现场使用刀具时，由于对工具系统进行组合及对刀柄与主轴进行联接时均可能产生一定偏心量，从而使经过预先平衡的刀具产生新的不平衡，因此，开发一种能使整个刀具一刀柄一主轴系统在驱动状态下实现平衡的在线平衡系统极具实用价值，利用该系统甚至有可能直接使用未经预先平衡的刀具组件进行加工。

   
　　美国Baladyne公司开发的在线平衡系统的结构与工作原理如下：该系统由传感器、控制器、配重盘、线圈等组成。主轴上带有两个电磁驱动的配重盘，通过调节两个配重盘的位置，可使产生的不平衡力与需平衡的刀具系统的不平衡量相互抵消，达到在线平衡的目的。该系统经过2.5秒钟的“学习”后，集成在主轴中的平衡装置采集到整个系统的动态特性，再经过1秒钟的自动调节后即可达到平衡。目前该系统可适用于60000r/min的转速条件。Baladyne公司称，如预先设计的配重盘能力足够，可使用未经预先平衡的刀具实现完全的在线平衡。

   
　　美国Kennametal公司开发的在线平衡系统由平衡刀柄、加速度传感器、控制器和调节器组成，其特点是将电磁驱动的配重盘配置在刀柄内，通过自动调节刀柄配重盘的相对位置，系统可对主轴和工具系统进行整体平衡，而不必使用特殊主轴。

   
　　6.结语

   
　　目前，高速旋转刀具已在我国一些工业部门中推广应用，高速切削技术的研究开发也成为我国制造业尤其是机床工具行业面临的紧迫任务。在2001年第七届北京国际机床展览会上，我国已有机床制造厂展出了主轴转速达10000～15000r/min的加工中心机床，工具行业通过技术改造也初步具备了开发高速切削刀具的能力，这都为高速切削技术在我国的推广应用创造了必要条件。与高速切削技术配套的刀具动平衡技术已成为机床工具行业共同关心的技术课题，加快该技术的研究开发工作将有助于高速切削技术的发展与应用。