高速銑削刀具的平衡

　　物理學(xué)的原理表明，旋轉(zhuǎn)中的質(zhì)點(diǎn)的離心力與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、質(zhì)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸的距離以及旋轉(zhuǎn)的角速度(或者轉(zhuǎn)速)的二次方成正比。也就是說(shuō)，如果轉(zhuǎn)速增加1倍，離心力將增大到原來(lái)的四倍。這就意味著在高的旋轉(zhuǎn)速度下，刀具的加工精度和壽命都可能受到離心力的嚴(yán)重影響。

　　某精密鏜刀制造商提供了如下圖的數(shù)據(jù)，說(shuō)明了這一問(wèn)題。他們選擇兩把鏜刀進(jìn)行試驗(yàn)，其中只有一把精鏜刀預(yù)先進(jìn)行過(guò)動(dòng)平衡。這兩把鏜刀在5000r/min時(shí)所加工孔的的圓度沒(méi)有什么差別，都是1.1µm，這些誤差我認(rèn)為主要由于機(jī)床工具系統(tǒng)的精度造成；而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高1倍到10000r/min時(shí)，情況就明顯不同了。經(jīng)過(guò)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時(shí)略有增加，為1.25µm，而未經(jīng)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時(shí)增加很多，達(dá)到6.30µm，是經(jīng)過(guò)平衡調(diào)整的鏜刀的5倍多。

　　因此，對(duì)于在高速旋轉(zhuǎn)下使用的刀具必須進(jìn)行平衡。

　　按照平衡理論，回轉(zhuǎn)體的不平衡可以分為3種：

　　靜不平衡：

　　靜不平衡是只有一個(gè)不平衡質(zhì)量且該不平衡質(zhì)量位于兩個(gè)支承的正中間，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向均相等。在切削加工中的短懸伸刀具(如盤(pán)類(lèi)刀具)可近似地認(rèn)為只是靜不平衡。

　　偶不平衡：

　　有兩個(gè)不平衡質(zhì)量，分布在對(duì)稱(chēng)于支承中點(diǎn)的180°位置，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小相等方向卻相反，形成的是一個(gè)力偶。

　　動(dòng)不平衡：

　　有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不平衡質(zhì)量，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向都不一樣�？梢赃@樣認(rèn)為，動(dòng)不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類(lèi)刀具大部分都是此類(lèi)不平衡。

　　有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不平衡質(zhì)量，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向都不一樣�？梢赃@樣認(rèn)為，動(dòng)不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類(lèi)刀具大部分都是此類(lèi)不平衡。

　　不平衡的消除有加重、去重和調(diào)整三類(lèi)方法，刀具的出廠預(yù)平衡多采用鉆孔去重的方法。即在經(jīng)平衡機(jī)測(cè)量并計(jì)算得到的位置鉆一個(gè)指定大小和深度的孔，以使刀具在該位置截面上得到靜平衡，或者在兩個(gè)位置上各鉆一個(gè)孔以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡�？赊D(zhuǎn)位刀具由于更換刀片和配件后會(huì)產(chǎn)生新的微量不平衡，整體刀具在裝入刀柄后也會(huì)在整體上形成某種微量不平衡，我們經(jīng)常會(huì)使用調(diào)整法來(lái)去除不平衡量以達(dá)到平衡目的。調(diào)整法主要有三種方式：

　　平衡調(diào)整環(huán)：高速加工中安裝整體刀具使用的刀柄主要采用這種方式，通常在刀柄上具有兩個(gè)平衡調(diào)整環(huán)。通過(guò)分別旋轉(zhuǎn)平衡調(diào)整環(huán)，可以產(chǎn)生一個(gè)合力和一個(gè)平衡力矩，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。

　　平衡調(diào)整螺釘：盤(pán)類(lèi)刀具可以采用這種方式。這種方法通常通過(guò)在一個(gè)(或兩個(gè))截面內(nèi)對(duì)兩個(gè)螺釘進(jìn)行徑向移動(dòng)來(lái)改變?cè)摻孛鎯?nèi)的質(zhì)心位置，從而達(dá)到平衡調(diào)整的目的。

　　平衡調(diào)整塊：大尺寸的單刃刀具(如單刃鏜刀)通常會(huì)設(shè)置一個(gè)平衡調(diào)整塊。該調(diào)整塊與單刃刀頭處于同一截面，徑向可以移動(dòng)。通過(guò)該調(diào)整塊的移動(dòng)來(lái)達(dá)到平衡。

　　減少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，減少刀具的重量也是一個(gè)有效的方法。瓦爾特用于鋁合金高速切削的刀具。該刀具的刀體用高強(qiáng)度的鋁合金制造。由于鋁的密度僅為鋼的34.6%，同樣制造精度下的離心力也就大大減少了。以直徑200mm的銑刀為例，相對(duì)于相同直徑鋼刀體銑刀，刀具的重量由9.8kg減少到3.7kg，允許使用的最高轉(zhuǎn)速也從4200r/min提高到13200r/min。

　　帶平衡調(diào)整螺釘?shù)匿X合金刀體銑刀

　　對(duì)于在高速切削條件下使用的刀具，盤(pán)類(lèi)刀具由于軸向尺寸相對(duì)較小，一般可以只進(jìn)行靜平衡;而桿類(lèi)刀具的懸伸較長(zhǎng)，其質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線之間可能存在的夾角就不能被忽略，因此必須進(jìn)行動(dòng)平衡。必須明確的是，只有在兩個(gè)或兩個(gè)以上截面中進(jìn)行的平衡調(diào)整才可能是動(dòng)平衡，而在一個(gè)截面內(nèi)進(jìn)行的平衡都應(yīng)是靜平衡。

　　就一般規(guī)律而言，中心對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)的更適合高速加工。不對(duì)稱(chēng)的三齒結(jié)構(gòu)，三齒中僅一齒過(guò)中心，該刀具一般不合適作為高速切削刀具；中心對(duì)稱(chēng)的二齒結(jié)構(gòu)，其兩個(gè)刀齒均過(guò)中心，就比較合適高速切削。同樣，帶削平的圓柱刀柄由于削平去除了刀具一側(cè)的部分材料，也造成了刀具的不平衡，對(duì)于高速切削也是不利的。加上其通常使用螺釘從側(cè)面壓緊，使刀柄上安裝孔與刀具柄部的間隙在夾緊過(guò)程中變?yōu)椴粚?duì)稱(chēng)間隙，安裝后的不平衡可能被加劇，更不合適用于高速切削。因此我們?cè)诟咚偾邢鞯牡毒哌x擇過(guò)程中要充分考慮其結(jié)構(gòu)的影響，避免刀具結(jié)構(gòu)在原理上就不平衡。因?yàn)橥ǔＭㄟ^(guò)調(diào)整所能去除的不平衡量相當(dāng)有限，而原理上的不平衡往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出刀柄調(diào)整所能消除的不平衡的范圍。

　　我們認(rèn)為刀具供應(yīng)者應(yīng)對(duì)自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示�，F(xiàn)在，許多歐美刀具商已經(jīng)在其樣本等宣傳資料上標(biāo)明了表示適用于高速切削的符號(hào)“HSC”或適用于高速加工的符號(hào)“HSM”，因此，一般沒(méi)有標(biāo)注這類(lèi)符號(hào)的就表示不適合高速切削。