高速加工和動(dòng)平衡

    高速加工，由于采用很高的切削速度和進(jìn)給速度，從而大大縮短加工時(shí)間以及獲得很高的加工精度和表面質(zhì)量，并導(dǎo)致節(jié)省加工工序，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程和減少生產(chǎn)設(shè)備，因而高速加工具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
    自二十世紀(jì)80年代中期興起高速加工以來(lái)，在至今的約20年中獲得了迅速發(fā)展，并相繼在航空、航天和汽車(chē)工業(yè)以及模具制造業(yè)等領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。
    在汽車(chē)工業(yè)里，90年代初期開(kāi)始應(yīng)用高速加工技術(shù)，當(dāng)時(shí)采用聚晶金剛石銑刀加工鋁合金缸蓋的切削速度已達(dá)到3000m/min，而到了90年代中期，銑削缸蓋的銑削速度個(gè)別已高達(dá)7000m/min（HüLLER HILLE公司），當(dāng)采用高強(qiáng)度鋁合金刀盤(pán)并經(jīng)較好動(dòng)平衡（平衡品質(zhì)等級(jí)G2.5）的聚晶金剛石面銑刀,在考慮了CEN/安全標(biāo)準(zhǔn)草案的情況下（即把刀體破裂轉(zhuǎn)速的二分之一視作為銑刀允許的最高轉(zhuǎn)速），銑削鋁件時(shí)的切削速度甚至可提高到8000m/min(銑刀直徑≥200mm,MAPAL公司)。這樣的切削速度比90年代初期幾乎提高了2.6倍。在模具行業(yè)里，在90年代末期，對(duì)淬硬鋼（HRC50）的銑削速度已高達(dá)（370～400）m/min。

圖1：動(dòng)平衡技術(shù)中的定義量

    為適應(yīng)高速加工的需要，目前加工中心和銑床均具有較高的主軸轉(zhuǎn)速。加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般都在15000r/min和24000r/min的范圍內(nèi)。用于模具加工的加工中心或銑削中心，由于加工時(shí)常常采用較小直徑（2mm～12mm）的銑刀，其最高主軸轉(zhuǎn)速一般為42000r/min，有的高達(dá)60000r/min。
    很顯然，高速旋轉(zhuǎn)的刀具系統(tǒng)，存在的殘余不平衡量（不對(duì)稱(chēng)質(zhì)量）會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系的離心力，這種動(dòng)態(tài)負(fù)載會(huì)激起刀具和機(jī)床的震動(dòng)，從而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量、刀具壽命和主軸軸承壽命的下降，甚至影響到加工過(guò)程的正常進(jìn)行。為減小或限制這種由殘余不平衡量產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)載的影響，應(yīng)對(duì)刀具系統(tǒng)進(jìn)行必要的動(dòng)平衡。
引起刀具系統(tǒng)不平衡的原因
在機(jī)床主軸——夾頭——刀具系統(tǒng)中，質(zhì)量不對(duì)稱(chēng)（不平衡量）主要是由下列原因引起的。
1.刀具的不對(duì)稱(chēng)形狀
2.刀夾的不對(duì)稱(chēng)形狀
3.系統(tǒng)構(gòu)件的加工誤差
4.系統(tǒng)構(gòu)件的連接間隙和夾緊的不精確
5.主軸的圓跳動(dòng)和磨損
6.在主軸錐孔和刀具上粘有雜質(zhì)顆粒
7.主軸中拉桿——疊形彈簧的偏移
8.冷卻潤(rùn)滑液的影響等
    這些不平衡量，往往會(huì)對(duì)高速精加工產(chǎn)生不利影響。特別當(dāng)采用較長(zhǎng)懸臂刀具進(jìn)行高速精加工時(shí), 其影響尤為嚴(yán)重，在以前，為減少刀具系統(tǒng)不平衡量對(duì)加工精度的不利影響，不得不采用較低的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，這樣，致使機(jī)床能力得不到充分利用。因此，為了充分利用高速加工的優(yōu)點(diǎn)，就必須對(duì)主軸—刀具系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡。以便減小振動(dòng)負(fù)載并盡可能將較高的精度傳遞到刀具的切削刃上。
動(dòng)平衡技術(shù)的概念
   進(jìn)行動(dòng)平衡，就是要使刀具系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體質(zhì)量進(jìn)行均勻分布，以減少回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)由不平衡量產(chǎn)生的離心力。
   在動(dòng)平衡技術(shù)中，不平衡量(U )是回轉(zhuǎn)體質(zhì)量(mr) 與質(zhì)量重心偏移量(e)的乘積：
U= mr. e..........(gmm ,kgμm)
mu—— 不平衡質(zhì)量（g）
mr—— 回轉(zhuǎn)體質(zhì)量（kg）
e—— 質(zhì)量重心偏移量（μm）
ru——mu質(zhì)量重心相對(duì)于回轉(zhuǎn)體軸線的距離（mm）
n—— 回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速（r/min）
ω——回轉(zhuǎn)體的角速度(1/s )
ω=2πn/60
F—— 不平衡產(chǎn)生的離心力（N）
F=Uω2
不平衡量(U )又是不平衡質(zhì)量(mu)和該質(zhì)量重心相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的距離(ru)之乘積：
U= mu. ru..........(gmm)
回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)的平衡品質(zhì)(G)用下式表示：
G=ew/1000=U/mR. πn/30..........(mm/s)
   平衡品質(zhì)或平衡質(zhì)量等級(jí)(G)表示回轉(zhuǎn)體處于不平衡狀態(tài)時(shí)回轉(zhuǎn)體重心的線速度，是用來(lái)判斷回轉(zhuǎn)體動(dòng)態(tài)負(fù)載的一種機(jī)械比較量。G值越小，則回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)越是平穩(wěn)。
   對(duì)于采用不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工的刀具，平衡品質(zhì)G值是難于確定的。而殘余不平衡量(U )與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，這個(gè)不平衡量可以直接在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行測(cè)量。
通過(guò)換算，可以將上面的平衡品質(zhì)的公式改寫(xiě)成下面的關(guān)系式：
e=9549.296G/n..........(μm)
   圖2是根據(jù)這個(gè)關(guān)系式繪制而成的諾模圖。根據(jù)確定的平衡品質(zhì)和實(shí)際的工作轉(zhuǎn)速就可以從圖上的曲線查得或利用上面的關(guān)系式計(jì)算出回轉(zhuǎn)體單位質(zhì)量的允許殘余不平衡量(gmm/kg),也就是質(zhì)量重心允許的偏移量(e)。

圖2：對(duì)應(yīng)于不同平衡品質(zhì)G0.4~G250（按DINISO1940）在
不同工作轉(zhuǎn)速下的最大允許殘余不平衡量（摘自Watter公司資料）

    在這里我們可以看出，在相同的平衡品質(zhì)情況下，轉(zhuǎn)速愈高，則允許的質(zhì)量重心偏移量愈小，也就是要求回轉(zhuǎn)體（刀夾和刀具等）的圓跳動(dòng)越�。▓D2和表1）。如對(duì)于一把重1.4kg的刀具，根據(jù)其確定的平衡品質(zhì)G6.3和工作轉(zhuǎn)速n=25000 r/min，就可得出刀具質(zhì)量重心的偏移量e=2.41μm。又得到允許的殘余不平衡量U=mR。e=1400G×0.00241mm=3.37gmm。這個(gè)不平衡量可通過(guò)平衡機(jī)測(cè)得。

適度動(dòng)平衡
    高速加工的用戶，應(yīng)根據(jù)具體的加工任務(wù)，同時(shí)考慮在技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，提出適度的平衡品質(zhì)的等級(jí)（G）。刀具殘余不平衡量的測(cè)量是受到動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量極限和測(cè)量能力的限制。目前，采用最高水平的動(dòng)平衡機(jī)，可以重復(fù)測(cè)得的刀具殘余不平衡量已達(dá)到0.3gmm。據(jù)德國(guó)技術(shù)刊物的有關(guān)報(bào)道，在德國(guó)擬訂的一份“采用具有一定幾何角度的回轉(zhuǎn)切削刀具”動(dòng)平衡極限標(biāo)準(zhǔn)草案中，規(guī)定了以2μm的殘余偏移量為可以達(dá)到的最高平衡品質(zhì)。
    所以，高速加工的用戶不能一味追求加工的平穩(wěn)性而提出過(guò)高的平衡品質(zhì)。因?yàn)�，不切合�?shí)際的過(guò)高要求，一是在技術(shù)上難于實(shí)現(xiàn)，其次是在經(jīng)濟(jì)上又并不合算。例如，一個(gè)重300g，工作轉(zhuǎn)速達(dá)60000r/min的帶刀柄HSK40的熱脹冷縮式夾頭，當(dāng)要求其平衡品質(zhì)為G2.5時(shí)，那么允許的不平衡量應(yīng)小于0.119gmm，這意味著夾頭的質(zhì)量重心只允許從其回轉(zhuǎn)軸線偏移0.4μm。而目前，在機(jī)床主軸上僅僅刀具或夾頭一個(gè)構(gòu)件也幾乎難于達(dá)到＜2μm 的高精度，而結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)又特別適合高速加工用的熱脹冷縮式夾頭，其圓跳動(dòng)最高也只能達(dá)到3μm （在其檢驗(yàn)棒3xd 懸伸處測(cè)得）。由此可見(jiàn)，要求這樣的平衡精度就毫無(wú)意義了。比較切合實(shí)際的是從2μm的殘余偏移量出發(fā)，從而得到不平衡量U=300g x 0.002mm=0.6gmm，平衡品質(zhì)則為G=12.56。這樣做，不僅技術(shù)上可行，而且經(jīng)濟(jì)上也是合理的。
制造廠家產(chǎn)品的動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)
    目前，大多數(shù)刀具和夾頭制造廠家已十分重視高速加工中的動(dòng)平衡問(wèn)題，并根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1940-1相應(yīng)擬訂了各自工廠內(nèi)部出廠產(chǎn)品的動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品基本上都按平衡品質(zhì)等級(jí)G2.5~G6.3在10000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)平衡，而對(duì)采用HSK E型刀柄（結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)）的熱脹冷縮式夾頭則在25000r/min或更高的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)平衡（表2）。如用戶要求比產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)平衡等級(jí)更高的平衡品質(zhì)，或要求在更高的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行平衡，可向生產(chǎn)廠家提出，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精平衡。

＊根據(jù)Mapal公司高速銑削可達(dá)到的切削速度推算，估計(jì)在10000 r/min和13000 r/min范圍——筆者

刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡
    對(duì)于短小又對(duì)稱(chēng)的整體式刀具，平衡時(shí)要修正的重量通常只有百分之幾克，所以僅進(jìn)行靜平衡就足夠了。而對(duì)于非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的懸臂刀具（懸伸長(zhǎng)度約300mm）必須要在二個(gè)校正平面上進(jìn)行動(dòng)平衡，以盡量清除不平衡量誤差。推薦對(duì)刀具、夾頭和主軸單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)平衡，然后，夾頭連同刀具一起還應(yīng)再一次進(jìn)行動(dòng)平衡。如Beck Engineering公司的一把在10000r/min轉(zhuǎn)速下工作的偏心傳動(dòng)受控刀具，為確保工件的加工質(zhì)量，刀具分4步進(jìn)行了動(dòng)平衡。第一步，偏心傳動(dòng)的刀體連同裝上的平衡校正工具在動(dòng)平衡機(jī)上以1500r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精平衡。第二步，刀具在動(dòng)平衡機(jī)上以同樣的轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)平衡。第三步，偏心傳動(dòng)刀體連同裝上的平衡校正工具在主軸上以10000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精平衡。第四步，安裝在刀體中的刀具在主軸上以同樣的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精平衡，由此最終達(dá)到好于G2的平衡品質(zhì)。
    另外，對(duì)于一些高速加工刀具和夾頭，如結(jié)構(gòu)上允許，還應(yīng)在刀體（刀盤(pán)）上設(shè)置為今后進(jìn)行精平衡或再平衡的螺釘或平衡環(huán)等微調(diào)機(jī)構(gòu)（如Walter公司的面銑刀和Mapal公司的WWS面銑刀，在刀盤(pán)上均設(shè)有平衡微調(diào)螺釘），或設(shè)置多個(gè)平衡孔，以便使刀具系統(tǒng)達(dá)到最佳的動(dòng)平衡效果。
自動(dòng)平衡系統(tǒng)
    即使刀具和夾頭已進(jìn)行了動(dòng)平衡，但是當(dāng)?shù)毒邐A頭裝到主軸上時(shí)還會(huì)由于夾緊不精確性而產(chǎn)生不平衡量（對(duì)于空心錐柄HSK接口，這個(gè)值一般在2μm 和5μm范圍內(nèi)），另外，還有可調(diào)刀具的調(diào)整、主軸中拉桿——疊形彈簧的偏移引起的不平衡以及隨機(jī)出現(xiàn)的其他不平衡。這些連接的不精確度和變化的不平衡狀態(tài)是無(wú)法進(jìn)行預(yù)防性修正的。因此，對(duì)于高速精密加工，最好是采用自動(dòng)平衡系統(tǒng)，以便對(duì)整個(gè)刀具——主軸系統(tǒng)在工作過(guò)程中進(jìn)行在線動(dòng)平衡，以補(bǔ)償上述干擾量。
    目前在生產(chǎn)中可供使用的自動(dòng)平衡系統(tǒng)是一種電磁動(dòng)平衡系統(tǒng)，這種系統(tǒng)有兩種使用方式：一種則是將由傳感器和致動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的動(dòng)平衡部件安裝在結(jié)構(gòu)相配的主軸上，另一種則是將致動(dòng)元件裝在刀夾里，這種電磁動(dòng)平衡系統(tǒng)可以在60000r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行自動(dòng)平衡。
    隨著刀具材料和刀具技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，加工的切削速度愈來(lái)越高，刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡已成為高速精加工的必要條件。因此，高速加工的用戶，應(yīng)根據(jù)具體的加工情況，通過(guò)刀具系統(tǒng)適度的動(dòng)平衡或采用自動(dòng)平衡系統(tǒng)，來(lái)獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。