高速加工和動平衡

    高速加工，由于采用很高的切削速度和進給速度，從而大大縮短加工時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)濟效益。
    自二十世紀80年代中期興起高速加工以來，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。
    在汽車工業(yè)里，90年代初期開始應(yīng)用高速加工技術(shù)，當(dāng)時采用聚晶金剛石銑刀加工鋁合金缸蓋的切削速度已達到3000m/min，而到了90年代中期，銑削缸蓋的銑削速度個別已高達7000m/min（HüLLER HILLE公司），當(dāng)采用高強度鋁合金刀盤并經(jīng)較好動平衡（平衡品質(zhì)等級G2.5）的聚晶金剛石面銑刀,在考慮了CEN/安全標準草案的情況下（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，對淬硬鋼（HRC50）的銑削速度已高達（370～400）m/min。

圖1：動平衡技術(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（不對稱質(zhì)量）會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系的離心力，這種動態(tài)負載會激起刀具和機床的震動，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，甚至影響到加工過程的正常進行。為減小或限制這種由殘余不平衡量產(chǎn)生的動態(tài)負載的影響，應(yīng)對刀具系統(tǒng)進行必要的動平衡。
引起刀具系統(tǒng)不平衡的原因
在機床主軸——夾頭——刀具系統(tǒng)中，質(zhì)量不對稱（不平衡量）主要是由下列原因引起的。
1.刀具的不對稱形狀
2.刀夾的不對稱形狀
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.冷卻潤滑液的影響等
    這些不平衡量，往往會對高速精加工產(chǎn)生不利影響。特別當(dāng)采用較長懸臂刀具進行高速精加工時, 其影響尤為嚴重，在以前，為減少刀具系統(tǒng)不平衡量對加工精度的不利影響，不得不采用較低的轉(zhuǎn)速進行加工，這樣，致使機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，就必須對主軸—刀具系統(tǒng)進行動平衡。以便減小振動負載并盡可能將較高的精度傳遞到刀具的切削刃上。
動平衡技術(shù)的概念
   進行動平衡，就是要使刀具系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體質(zhì)量進行均勻分布，以減少回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時由不平衡量產(chǎn)生的離心力。
   在動平衡技術(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(G)表示回轉(zhuǎn)體處于不平衡狀態(tài)時回轉(zhuǎn)體重心的線速度，是用來判斷回轉(zhuǎn)體動態(tài)負載的一種機械比較量。G值越小，則回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)越是平穩(wěn)。
   對于采用不同轉(zhuǎn)速進行加工的刀具，平衡品質(zhì)G值是難于確定的。而殘余不平衡量(U )與轉(zhuǎn)速無關(guān)，這個不平衡量可以直接在動平衡機上進行測量。
通過換算，可以將上面的平衡品質(zhì)的公式改寫成下面的關(guān)系式：
e=9549.296G/n..........(μm)
   圖2是根據(jù)這個關(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）的圓跳動越�。▓D2和表1）。如對于一把重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。這個不平衡量可通過平衡機測得。

適度動平衡
    高速加工的用戶，應(yīng)根據(jù)具體的加工任務(wù)，同時考慮在技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性，提出適度的平衡品質(zhì)的等級（G）。刀具殘余不平衡量的測量是受到動平衡機測量極限和測量能力的限制。目前，采用最高水平的動平衡機，可以重復(fù)測得的刀具殘余不平衡量已達到0.3gmm。據(jù)德國技術(shù)刊物的有關(guān)報道，在德國擬訂的一份“采用具有一定幾何角度的回轉(zhuǎn)切削刀具”動平衡極限標準草案中，規(guī)定了以2μm的殘余偏移量為可以達到的最高平衡品質(zhì)。
    所以，高速加工的用戶不能一味追求加工的平穩(wěn)性而提出過高的平衡品質(zhì)。因為，不切合實際的過高要求，一是在技術(shù)上難于實現(xiàn)，其次是在經(jīng)濟上又并不合算。例如，一個重300g，工作轉(zhuǎn)速達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，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，在機床主軸上僅僅刀具或夾頭一個構(gòu)件也幾乎難于達到＜2μm 的高精度，而結(jié)構(gòu)上對稱又特別適合高速加工用的熱脹冷縮式夾頭，其圓跳動最高也只能達到3μm （在其檢驗棒3xd 懸伸處測得）。由此可見，要求這樣的平衡精度就毫無意義了。比較切合實際的是從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)濟上也是合理的。
制造廠家產(chǎn)品的動平衡標準
    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平衡問題，并根據(jù)國際標準ISO1940-1相應(yīng)擬訂了各自工廠內(nèi)部出廠產(chǎn)品的動平衡標準，產(chǎn)品基本上都按平衡品質(zhì)等級G2.5~G6.3在10000r/min的轉(zhuǎn)速下進行動平衡，而對采用HSK E型刀柄（結(jié)構(gòu)上對稱）的熱脹冷縮式夾頭則在25000r/min或更高的轉(zhuǎn)速下進行動平衡（表2）。如用戶要求比產(chǎn)品標準平衡等級更高的平衡品質(zhì)，或要求在更高的轉(zhuǎn)速下進行平衡，可向生產(chǎn)廠家提出，對產(chǎn)品進行精平衡。

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

刀具系統(tǒng)的動平衡
    對于短小又對稱的整體式刀具，平衡時要修正的重量通常只有百分之幾克，所以僅進行靜平衡就足夠了。而對于非對稱結(jié)構(gòu)的懸臂刀具（懸伸長度約300mm）必須要在二個校正平面上進行動平衡，以盡量清除不平衡量誤差。推薦對刀具、夾頭和主軸單獨進行動平衡，然后，夾頭連同刀具一起還應(yīng)再一次進行動平衡。如Beck Engineering公司的一把在10000r/min轉(zhuǎn)速下工作的偏心傳動受控刀具，為確保工件的加工質(zhì)量，刀具分4步進行了動平衡。第一步，偏心傳動的刀體連同裝上的平衡校正工具在動平衡機上以1500r/min的轉(zhuǎn)速進行精平衡。第二步，刀具在動平衡機上以同樣的轉(zhuǎn)速進行動平衡。第三步，偏心傳動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)速進行精平衡，由此最終達到好于G2的平衡品質(zhì)。
    另外，對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）上設(shè)置為今后進行精平衡或再平衡的螺釘或平衡環(huán)等微調(diào)機構(gòu)（如Walter公司的面銑刀和Mapal公司的WWS面銑刀，在刀盤上均設(shè)有平衡微調(diào)螺釘），或設(shè)置多個平衡孔，以便使刀具系統(tǒng)達到最佳的動平衡效果。
自動平衡系統(tǒng)
    即使刀具和夾頭已進行了動平衡，但是當(dāng)?shù)毒邐A頭裝到主軸上時還會由于夾緊不精確性而產(chǎn)生不平衡量（對于空心錐柄HSK接口，這個值一般在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)是無法進行預(yù)防性修正的。因此，對于高速精密加工，最好是采用自動平衡系統(tǒng)，以便對整個刀具——主軸系統(tǒng)在工作過程中進行在線動平衡，以補償上述干擾量。
    目前在生產(chǎn)中可供使用的自動平衡系統(tǒng)是一種電磁動平衡系統(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機構(gòu)組成的動平衡部件安裝在結(jié)構(gòu)相配的主軸上，另一種則是將致動元件裝在刀夾里，這種電磁動平衡系統(tǒng)可以在60000r/min轉(zhuǎn)速下進行自動平衡。
    隨著刀具材料和刀具技術(shù)的進一步發(fā)展，加工的切削速度愈來越高，刀具系統(tǒng)的動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，通過刀具系統(tǒng)適度的動平衡或采用自動平衡系統(tǒng)，來獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟效益。