高速銑削刀具的平衡

　　物理學的原理表明，旋轉(zhuǎn)中的質(zhì)點的離心力與質(zhì)點的質(zhì)量、質(zhì)點與旋轉(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，如果轉(zhuǎn)速增加1倍，離心力將增大到原來的四倍。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重影響。

　　某精密鏜刀制造商提供了如下圖的數(shù)據(jù)，說明了這一問題。他們選擇兩把鏜刀進行試驗，其中只有一把精鏜刀預先進行過動平衡。這兩把鏜刀在5000r/min時所加工孔的的圓度沒有什么差別，都是1.1µm，這些誤差我認為主要由于機床工具系統(tǒng)的精度造成；而當轉(zhuǎn)速提高1倍到10000r/min時，情況就明顯不同了。經(jīng)過平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時略有增加，為1.25µm，而未經(jīng)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時增加很多，達到6.30µm，是經(jīng)過平衡調(diào)整的鏜刀的5倍多。

　　因此，對于在高速旋轉(zhuǎn)下使用的刀具必須進行平衡。

　　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不平衡質(zhì)量且該不平衡質(zhì)量位于兩個支承的正中間，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個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(如盤類刀具)可近似地認為只是靜不平衡。

　　偶不平衡：

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

　　動不平衡：

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

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

　　不平衡的消除有加重、去重和調(diào)整三類方法，刀具的出廠預平衡多采用鉆孔去重的方法。即在經(jīng)平衡機測量并計算得到的位置鉆一個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，或者在兩個位置上各鉆一個孔以實現(xiàn)動平衡�？赊D(zhuǎn)位刀具由于更換刀片和配件后會產(chǎn)生新的微量不平衡，整體刀具在裝入刀柄后也會在整體上形成某種微量不平衡，我們經(jīng)常會使用調(diào)整法來去除不平衡量以達到平衡目的。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平衡調(diào)整環(huán)。通過分別旋轉(zhuǎn)平衡調(diào)整環(huán)，可以產(chǎn)生一個合力和一個平衡力矩，從而實現(xiàn)動平衡。

　　平衡調(diào)整螺釘：盤類刀具可以采用這種方式。這種方法通常通過在一個(或兩個)截面內(nèi)對兩個螺釘進行徑向移動來改變該截面內(nèi)的質(zhì)心位置，從而達到平衡調(diào)整的目的。

　　平衡調(diào)整塊：大尺寸的單刃刀具(如單刃鏜刀)通常會設置一個平衡調(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。通過該調(diào)整塊的移動來達到平衡。

　　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

　　對于在高速切削條件下使用的刀具，盤類刀具由于軸向尺寸相對較小，一般可以只進行靜平衡;而桿類刀具的懸伸較長，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，因此必須進行動平衡。必須明確的是，只有在兩個或兩個以上截面中進行的平衡調(diào)整才可能是動平衡，而在一個截面內(nèi)進行的平衡都應是靜平衡。

　　就一般規(guī)律而言，中心對稱的結(jié)構(gòu)的更適合高速加工。不對稱的三齒結(jié)構(gòu)，三齒中僅一齒過中心，該刀具一般不合適作為高速切削刀具；中心對稱的二齒結(jié)構(gòu)，其兩個刀齒均過中心，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程中變?yōu)椴粚ΨQ間隙，安裝后的不平衡可能被加劇，更不合適用于高速切削。因此我們在高速切削的刀具選擇過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。因為通常通過調(diào)整所能去除的不平衡量相當有限，而原理上的不平衡往往遠遠超出刀柄調(diào)整所能消除的不平衡的范圍。

　　我們認為刀具供應者應對自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示。現(xiàn)在，許多歐美刀具商已經(jīng)在其樣本等宣傳資料上標明了表示適用于高速切削的符號“HSC”或適用于高速加工的符號“HSM”，因此，一般沒有標注這類符號的就表示不適合高速切削。