高速切削刀具加工介紹及平衡質量

從目前的試驗看，隨著切削速度的逐步提高，切削時的變形規(guī)律發(fā)生一些改變。切屑中的剪切變形逐漸加劇，剪切區(qū)的滑移逐漸加強，即使是塑性材料的切屑形態(tài)，也會組建逐漸從帶狀切屑轉變?yōu)殇忼X狀切屑，進而有可能進一步轉變?yōu)閱卧獱钋行肌?

由于在高速切削的條件下切屑會由帶狀切屑轉變?yōu)閱卧�切屑，切屑與前刀面的摩擦將不再是切削力和切削熱的主要來源之一；同樣由于切削速度的提高，后刀面處工件材料的彈性變形也將由于變形速度逐漸跟不上切削速度而減少，后刀面的摩擦也因此而減少，從而對降低切削力和切削熱產(chǎn)生有利的影響。因此在高速切削時，主要的切削熱將由切屑導出，而工件和刀具的溫升都非常小，因此高速切削也被成為“冷態(tài)切削”。

1．高速加工的基本情況?

高速切削的研究歷史，可以追溯到20世紀30年代由德國Carl Salomon博士首次提出的有關高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了傳統(tǒng)切削理論對切削熱的認識，認為切削熱只是在傳統(tǒng)切削速度范圍內是與切削速度成單調增函數(shù)關系。而當切削速度突破一定限度以后，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會隨切削速度的增加而降低，即與切削速度在較高速度的范圍內成單調減函數(shù)。Salomon博士的研究因第二次世界大戰(zhàn)而中斷。50年代后期開始，高速切削的試驗又開始進入各種試驗研究，高速切削的機理開始被科學家們所認識。1979年開始由德國政府研究技術部資助、德國Darmstadt大學PTW研究所牽頭、由大學研究機構、機床制造商、刀具制造商、用戶等多方面共同組成的研究團隊對高速銑削展開了系統(tǒng)的研究。除了高速切削機理外，研究團隊同步研究解決高速銑削中機床、刀具、工藝參數(shù)等多方面的應用解決方案，使高速銑削在加工機理尚未得到完全共識的情況下首先在鋁合金加工和硬材料加工等領域得到應用，解決模具、汽車、航空等領域的加工需求，從而取得了巨大的經(jīng)濟效益。

2．刀具的平衡質量?

物理學原理表明，旋轉中的質點的離心力與質點的質量、質點與旋轉軸的距離以及旋轉的角速度(或者轉速)的二次方成正比，即

F=mω2r?

式中：F為離心力(N)，m為不平衡質量(kg)，ω為角速度(rad/s)，r為不平衡質量m所在半徑(m)。

由于ω=2πn/60(n為轉速，r/min)，則離心力的大小可改寫為：

F=m(2πn/60)2r≈mn2r/100

也就是說，如果轉速增加1倍，離心力將增大到原來的4倍。這就意味著在高的旋轉速度下，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，這些誤差主要由于機床工具系統(tǒng)的精度造成；而當轉速提高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)過平衡調整的鏜刀的5倍多。

在刀具制造完成后，其不平衡量U=mr已經(jīng)確定。然而在實際操作中，我們很難得到這個不平衡質點的質量和位置，但我們可以用整個回轉體(如刀具)的質量以及整個回轉體的質心與回轉中心的距離的乘積來描述刀具的不平衡量，稱為殘余不平衡量U，這個不平衡量是我們度量回轉體平衡水平的工具：

U=mr=Me?

式中：U為殘余不平衡量(g·mm)，m為殘余不平衡質量(g)，r為殘余不平衡質量m所在半徑(mm)，M為回轉體質量(kg)，E為殘余不平衡量產(chǎn)生的重心偏移(μm)。?

德國制定了一個平衡品質等級G的標準，以單位質量的殘余不平衡量eper和轉速n來衡量回轉體的平衡等級，并規(guī)定了從G0.4至G250的一系列平衡品質等級。即

G=(eper×ω)/1000=(eper×n)/9549≈(eper×n)10000??

eper=U/M

我們可以按照這一標準的指導，進行下列操作：?

(1)已知使用的nmax和G，可求出eper，再算出轉子的許用不平衡量Uper，指導平衡操作。

(2)已知轉子的U值，可根據(jù)所要求的G值，限定能使用的nmax。?

(3)已知轉子的U值，規(guī)定所能使用的nmax及對應的G值。

通常認為，對于高速切削的刀具，其平衡品質等級應不低于G16(即在10000r/min時其單位質量的殘余不平衡量eper不超過16μm)，而殘余不平衡量產(chǎn)生的重心偏移e的最小值可以規(guī)定為2～5μm(把刀具系統(tǒng)安裝在機床主軸上時，可能產(chǎn)生的偏心量作為2～5μm，把刀具的許用不平衡度校正到小于該值已無必要)。?

3．刀具的平衡方法?

對于高速旋轉下的刀具必須進行平衡。按照平衡理論，回轉體的不平衡可以分為三種：?

(1)靜不平衡：靜不平衡是只有一個不平衡質量且該不平衡質量位于兩個支承的正中間，因此其在旋轉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。?

(2)偶不平衡：有兩個不平衡質量，分布在對稱于支承中點的180°位置，因此其在旋轉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。?

(3)動不平衡：有兩個或兩個以上的不平衡質量，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉中的離心力在兩個支承上反力的大小和方向都不一樣。可以這樣認為，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。?

可轉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)常會使用調整法來去除不平衡量以達到平衡目的。調整法主要有三種方式：?

(1)平衡調整環(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整環(huán)。通過分別旋轉平衡調整環(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。?

(2)平衡調整螺釘：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)截面內對兩個螺釘進行徑向移動來改變該截面內的質心位置，從而達到平衡調整的目的。?

(3)平衡調整塊：大尺寸的單刃刀具(如單刃鏜刀)通常會設置一個平衡調整塊。該調整塊與單刃刀頭處于同一截面，徑向可以移動。通過該調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。如瓦爾特用于鋁合金高速切削的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，允許使用的最高轉速也從4200r/min提高到13200r/min。

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，其質量軸線與旋轉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整才可能是動平衡，而在一個截面內進行的平衡都應是靜平衡。?

4．高速切削的刀具選用?

就一般規(guī)律而言，中心對稱的結構更適合高速加工。如在中心不對稱的三齒結構中，三齒中僅一齒過中心，該刀具一般不適合作為高速切削刀具；在中心對稱的二齒結構中，其兩個刀齒均過中心，就比較適合高速切削。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，更不適合用于高速切削。因此我們在高速切削的刀具選擇過程中要充分考慮其結構的影響，避免刀具結構在原理上就不平衡。因為通常通過調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�，F(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。