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高速切削刀具系统动平衡技术研究

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摘要:介绍高速切削刀具系统动平衡技术的发展现状，并在此基础上提出相关问题进行讨论。

一、概述

在高速旋转下，刀具系统(刀具-夹头-刀柄)的一点点不平衡都会产生较大的离心力，引起机床和刀具的振动，产生不均匀的切削力，不仅影响被加工工件的加工精度和表面质量，又会影响机床主轴轴承和刀具的不规则磨损，迅速降低其使用寿命。
高速旋转刀具的不平衡对加工表面粗糙度Ra的影响可用下面的实例说明。
实验目的：通过切削实验，比较用两种不平衡量的刀具系统进行切削，径向切深，对铣削加工表面粗糙度Ra的影响。
实验条件：试件材料为铝合金。加工机床为瑞士米克郎公司产HSM600铣削中心，刀具选用Ø10mm超细晶粒硬质合金整体立铣刀，4齿，30°螺旋角，刀尖圆弧半径1mm ，两刀具系统不平衡量分别为u
1=100g·mm、u2=2.5g·mm。加工参数为主轴转速15,000r/min ，进给速度5.3m/min 。
实验结果分析：用两种不平衡量刀具进行切削，试件加工表面粗糙度Ra与径向切深a
p的关系。从实验结果看，试件加工表面粗糙度Ra随径向切削深度ap的增大而增大，而且两种不平衡量刀具对其加工表面粗糙度的影响有较大差距。
因此，研究高速旋转刀具的动平衡技术是推广应用高速切削加工技术的重要内容。目前，许多国家已对高速切削刀具的动平衡问题进行了广泛研究，如动平衡标准，动平衡方法、动平衡质量等级界定、动平衡仪器等。

二、刀具系统动平衡技术的发展现状

1. 平衡标准

旋转体的不平衡量，是指其质量重心偏离旋转中心的量。不平衡量U在数值上等于旋转体质量M(g) 乘以偏心距e(mm)，也等于等效不平衡质量m(g)乘以其回转半径r(mm)，即：
U=Me=mr(g·mm)
不平衡量U可在动平衡机上测得。
就旋转刀具和刀柄来说，目前由于国内、外尚无统一的刀具平衡标准，世界各国和机床厂家采用的标准也不一样，往往借用旋转体平衡的国际标准ISO1940-1。在该标准里，用G参数作为平衡等级指标，召后面的数字表示在一定转速下单位旋转体质量允许的残余不平衡量(mm/s)。G参数的数字量分级从G0.4～G4000，数字越小，平衡质量等级越高。根据ISO1940-1的G等级标准，允许的不平衡量味U
per(g·mm)可用下式表示：Uper=9549GMN(1)式中：G——平衡等级指标(mm/s)
M——旋转体质量(kg)
N——旋转体转速(r/min)
由不平衡量引起的离心力F可用下式表示：F=U(N)9549(2)
在采用G平衡等级来确定旋转体的允许不平衡量时，机床常用的等级有三个：G6.3为一般精度级，主要用于一般切削机床和n机械旋转体的平衡；G2.5为高精度级，主要用于有特殊平衡要求的机床和机械旋转体；G1.0为超精度级，主要用于磨床和精密机械旋转体。
实际在高速切削机床上，一些高速电主轴的平衡指标已达到G0.4级。
举例：已知刀具系统的质量M=1000g，确定的平衡质量等级为G6.3，转速为N=15000r/min。求在此条件下允许的不平衡量。
解：U
per=9549GM=9549×6.3×1≈3.34(g·mm)N18000
以上结果也可从ISO1940-1标准给出的平衡质量等级中查得刀具系统单位质量允许的残余不平衡量U
per/M，再乘以刀具系统的质量而求得。

2. 刀具系统的平衡方法

旋转刀具系统的动平衡原理与一般旋转体的动平衡原理相似。首先，刀具系统结构的设计应尽可能对称，并尽量减小刀具系统的质量。如目前应用较广的中空短锥刀柄(HSK) 就比传统的标准7/24实心长刀柄的动平衡性能好得多。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。常用的平衡方法有以下三种。

  1. 在制造阶段对刀具和刀柄分别进行平衡。具体方法是用动平衡机检测出不平衡量的大小和位置，然后在相反的位置切去相应量。这一工作是由刀具和刀柄生产厂家完成。
  2. 采用可调平衡刀柄。即使经过了动平衡的刀具、夹头、刀柄，当装配起来组成刀具系统时，由于有多个中间装配环节的影响，往往会出现总体不平衡。这就需要对刀具系统进行总体平衡。常用的可调平衡刀柄是在标准刀柄上增加可调的部件。一种是在刀柄的外端面上钻出一系列平行于轴线的螺纹孔，用固定螺钉进行调节。根据需要的平衡量用手动方法旋入或退出螺钉，即改变刀柄的径向重心位置。另一种是采用带有平衡调节环的刀柄，根据测得的刀柄不平衡点的位置从平衡调节表中查出平衡环的调整角度，按调整角度旋转带有刻度的调节环，并锁紧螺钉。
  3. 用自动平衡系统进行在线平衡。从严格的意义上讲，刀具系统的动平衡应是在其装入主轴后，在工作转速下的动平衡。所以，更精确的调整平衡，最理想的方法是把刀具装入机床主轴后，在工作转速下测量和调整。这就需要一个整体自动平衡系统。美国肯纳金属(Kennametal)公司开发出的一种可以调节主轴系统平衡的自动平衡系统，它能使主轴一刀柄一刀具一夹头构成的系统在2s内自动实现动平衡。这种自动调整系统由自动平衡刀柄、微机控制器、测量传感器和固定调整线圈组成。其工作原理是在刀柄的平衡环中装有永久磁体，可对有两个平衡块的转子进行定位。在计算机测量出不平衡量和位置时，向线圈发出脉冲信号，由线圈中产生的电磁量改变刀柄中永久磁体的位置，达到消除不平衡量的目的。

三、问题讨论

1. 平衡标准的适用

目前，高速切削刀具的动平衡大多沿用国际标准ISO1940-1设定的G等级标准来评定，这并非完全合理。因为该标准不是专为机床刀具系统制定的，而主要是用于刚性旋转体。这样，使用一个固定的G等级作为刀具平衡标准往往不能解决实际问题。例如，采用G2.5等级时，若刀具系统总装配质量为1kg ，主轴转速为12000r/min。按式(1)计算得到的允许不平衡量要求小于2g·mm；按式(2)计算，相应的最大离心力是3N。显然，这个要求太高，难以实现。另一方面，由于ISO1940-1标准没有考虑刀具的特征，其理论计算与实际要求也有不符之处。从式(1)可以看出，在给定的G等级和转速条件下，刀具质量的增加相应地增加了允许的不平衡量，即降低了平衡要求，而实际情况是，刀具越重，平衡要求应该越高。刀具允许的不平衡量应该越小，平衡要求越严格。
鉴于此，有的国家制定了自己的刀具平衡标准，如美国标准ANSIS2.19、德国标准DIN69893-1，我国有关部门也正在制定高速切削刀具的平衡标准。但世界著名的Sandvik公司认为，对于刀具系统的平衡，没有一个统一的标准能在各处都适用，应根据实验的方法来确定刀具的平衡质量。

2. 合理平衡质量等级的确定

对于高速旋转刀具系统，不平衡量当然是越小越好。但进行严格的刀具动平衡需花费很多人力和物力。平衡应该达到的程度，一方面要考虑加工质量要求，另一方面也要考虑加工成本，具体的要求应该根据实际情况决定。
刀具平衡质量等级不应该用一个固定的G值来确定，而应该是由上限值和下限值界定一个范围。大于上限值时刀具的不平衡量将对加工质量带来负面影响，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，也无必要。在刀具平衡质量评价尺度上，不应该以加工效果的好坏作为刀具平衡的评价尺度，因为影响加工效果的因素是多样性的。而应该以主轴轴承动载荷的大小作为刀具平衡质量的评价尺度，因刀具不平衡引起的主轴轴承动载荷的大小是与不平衡量直接相关的参数。

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