高速切削與刀具動(dòng)平衡技術(shù)(上)

“一些研究人員提出，刀具合理的平衡質(zhì)量等級(jí)可按以下方式確定：對(duì)于金屬切除量較大的粗加工(如飛機(jī)整體鋁合金構(gòu)件、大型模具的模腔、鋁合金殼體等的加工)，刀具平衡質(zhì)量等級(jí)達(dá)G16即已足夠，但當(dāng)這種粗加工消耗功率較大時(shí)，在15000～24000r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)則可采用G6.3～G8.0，以減小不平衡力對(duì)主軸軸承的附加載荷。對(duì)于精加工，則要求刀具系統(tǒng)的平衡質(zhì)量等級(jí)至少應(yīng)達(dá)G6.3。”

　　1.引言

　　從二十世紀(jì)八十年代開始，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展，金屬切削加工進(jìn)入了以高速切削為代表的發(fā)展階段。

　　由于高速切削技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，目前已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的汽車、飛機(jī)、模具等工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，并顯示出在二十一世紀(jì)現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展中具有的重要地位和廣闊應(yīng)用前景。

　　“高速切削”目前還是一個(gè)發(fā)展中的相對(duì)概念。對(duì)于不同的工件材料和不同的加工工序，要求達(dá)到的切削速度并不相同，通常可將切削速度(或進(jìn)給速度)較普通切削提高5～1O倍歸入高速切削范疇。

　　高速切削的實(shí)現(xiàn)需要建立在機(jī)床、刀具等相關(guān)領(lǐng)域最新技術(shù)成果的基礎(chǔ)上。目前，高速切削主要應(yīng)用于在加工中心機(jī)床上采用銑刀、鏜刀、孔加工刀具等旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行的切削加工，所用加工中心機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常在lO000r/min以上。當(dāng)加工中心機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)lO000r/min以上時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的刀具(包括夾持刀柄)存在的不平衡量所產(chǎn)生的離心力將對(duì)主軸軸承、機(jī)床部件等施加周期性載荷，從而引起振動(dòng)，這將對(duì)主軸軸承、刀具壽命和加工質(zhì)量造成不利影響。因此，高速切削加工對(duì)旋轉(zhuǎn)刀具提出了嚴(yán)格的動(dòng)平衡要求。研究高速旋轉(zhuǎn)刀具的動(dòng)平衡技術(shù)、有效控制刀具不平衡量是研制開發(fā)和推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)的必要前提和配套技術(shù)。德國的切削行業(yè)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)刀具動(dòng)平衡技術(shù)做了大量研究開發(fā)工作，本文結(jié)合有關(guān)報(bào)導(dǎo)對(duì)高速切削刀具動(dòng)平衡技術(shù)的研究現(xiàn)狀及一些相關(guān)問題作一介紹。

　　2.動(dòng)平衡的一般概念

　　旋轉(zhuǎn)刀具的動(dòng)平衡原理與一般旋轉(zhuǎn)零件的動(dòng)平衡原理相似。首先，刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能對(duì)稱；其次，在需要對(duì)刀具進(jìn)行平衡時(shí)，可根據(jù)測出的不平衡量采用刀柄去重或調(diào)節(jié)配重等方法實(shí)現(xiàn)平衡。由于刀具品種不同，具體采用的平衡方法也不相同。法國EPB公司特制的平衡刀具(柄)產(chǎn)品內(nèi)裝了平衡配重機(jī)構(gòu)，并設(shè)置了配重刻度，通過轉(zhuǎn)動(dòng)配重環(huán)，調(diào)整其相對(duì)位置，即可補(bǔ)償因刀具結(jié)構(gòu)不對(duì)稱或調(diào)刀引起的不平衡量；德國Walter公司的高速面銑刀則采用螺釘調(diào)節(jié)不平衡量。

　　對(duì)于普通的刀具或工具系統(tǒng)，可由刀具制造商或用戶借助于平衡機(jī)進(jìn)行平衡。但是，如何科學(xué)、定量地規(guī)定和評(píng)價(jià)刀具的平衡質(zhì)量以及在不同加工條件下允許的刀具不平衡量，是刀具制造商和用戶關(guān)心的首要問題。為此，有必要介紹一下機(jī)械轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的一般概念。

　　IS0 1940《剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡量(或稱殘留不平衡量)用U表示(單位為gmm)，U值可在平衡機(jī)上測得；某一轉(zhuǎn)子允許的不平衡量(或稱允許殘留不平衡量)用Uper表示。從實(shí)際平衡效果考慮，通常轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m(kg)越大，其允許殘留不平衡量也越大。為對(duì)轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量進(jìn)行相對(duì)比較，可用單位質(zhì)量殘留不平衡量e表示，即e=U/m(gmm/kg)，相應(yīng)地即有eper=Uper/m。U和e是轉(zhuǎn)子本身對(duì)于給定回轉(zhuǎn)軸所具有的靜態(tài)(或稱準(zhǔn)動(dòng)態(tài))特性，可定量表示轉(zhuǎn)子的不平衡程度。從準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的角度看，一個(gè)用U、e和m值表示其靜態(tài)特性的轉(zhuǎn)子完全等效于一個(gè)質(zhì)量為m(kg)、且其重心與回轉(zhuǎn)中心的偏心距為e(μm)的不平衡轉(zhuǎn)子，而U值則為轉(zhuǎn)子質(zhì)量m(kg)與偏心距e(μm)的乘積。因此，也可將e稱為殘留偏心量，這是e的一個(gè)很有用的物理含義。

　　實(shí)際上，一個(gè)轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量的優(yōu)劣是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，它與使用的轉(zhuǎn)速有關(guān)。如ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)給出的平衡質(zhì)量等級(jí)圖上一組離散的標(biāo)有G值的45°斜線表示不同的平衡質(zhì)量等級(jí)，其數(shù)值為eper(gmm／kg)與角速度ω(rad／s)的乘積(單位為mm／s)，用于表示一個(gè)轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量的優(yōu)劣。例如，某個(gè)轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量等級(jí)G＝6.3，表示該轉(zhuǎn)子的e值與使用時(shí)ω值的乘積應(yīng)小于或等于6.3。使用時(shí)，可根據(jù)要求的平衡質(zhì)量等級(jí)G及轉(zhuǎn)子可能使用的最大轉(zhuǎn)速，從圖上查出轉(zhuǎn)子允許的eper值，再乘以轉(zhuǎn)子質(zhì)量，即可求出該轉(zhuǎn)子允許的不平衡量。

　　接下來的問題是如何確定高速旋轉(zhuǎn)刀具的合理平衡質(zhì)量等級(jí)G，從而得出在最高使用轉(zhuǎn)速下要求的Uper值。

　　3.合理平衡質(zhì)量等級(jí)的確定

　　為了確定高速旋轉(zhuǎn)刀具統(tǒng)一的合理平衡質(zhì)量等級(jí)G，由德國政府和機(jī)器制造商協(xié)會(huì)(VDMA)所屬精密工具專業(yè)委員會(huì)牽頭成立了工作組，將刀具動(dòng)平衡技術(shù)作為一個(gè)“要求公開”的項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究組的成員來自相關(guān)行業(yè)及技術(shù)領(lǐng)域，如刀具、機(jī)床和平衡機(jī)制造行業(yè)、用戶行業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)等。根據(jù)他們的研究結(jié)果，提出了“高速旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)平衡要求”的指導(dǎo)性規(guī)范(FMK—Richtlinie)。