刀夾平衡策略

由于大多數(shù)機(jī)械師不理解刀夾平衡的原理，他們通�；ㄙM不必要的時間和資金來試圖實現(xiàn)較高 的平衡水準(zhǔn)。各種應(yīng)用場合所需要的刀夾平衡水準(zhǔn)應(yīng)該受操作要求支配。

    低速運行時可以承受的刀夾失衡量要比高速運行時高多。

    對于某特定應(yīng)用場合的最佳平衡，需要理解以下幾個方面：

◆失衡的影響以及什么時候這種影響很重要；

◆何時要采用最佳控制策略；

◆不同的刀夾配置隨著速度上升其性能如何。

    指令刀具系統(tǒng)公司（Command Tooling Systems）(www.commandtool.com)的工程主管Dennis King說：“刀夾是在生產(chǎn)完成后通過測量和必要的質(zhì)量修正而平衡的。可以平衡的刀夾應(yīng)該進(jìn)行硬平衡（去除材料）以使其達(dá)到良好的平衡性能。然后，應(yīng)該用可平衡特征來修正預(yù)置過程的變量——如果它們對操作非常重要的話。”刀夾或主軸平衡有兩個標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 1940及ANSI S2.19，其中每個標(biāo)準(zhǔn)都是由一個委員會將平衡控制細(xì)分為三類而創(chuàng)立的：

◆振動控制

◆力控制

◆零件生產(chǎn)能力

在這三個方法中，振動控制最經(jīng)常使用。

平衡策略

    制造商們通常用G數(shù)（單位為毫米/秒，mm/sec）來定義失衡度。其它描述以一定轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)的零件中發(fā)生的振動的方式有加速度、速度和峰-峰位移等。ANSI S2.19標(biāo)準(zhǔn)對單平面和雙平面平衡及對在采用振動法（通常稱作G數(shù)規(guī)范）時如何計算可接受的失衡量介紹得非常詳細(xì)。G數(shù)是振動閾值極限。G1.0對應(yīng)于1.0 mm/s振動的自由轉(zhuǎn)動。由于高公差磨削操作涉及到穩(wěn)定的工件和主軸，G1.0通常是針對磨削主軸規(guī)定的。

HSK E和F刀夾是對稱的，因此，從一開始就是平衡的。

磨削通常涉及成千上萬次工件交互作用而產(chǎn)生的恒定力（中斷時除外），這種交互作用使操作力非常均勻。機(jī)加工操作的負(fù)荷通常比磨削操作的高，并且每次加工操作都有自己的頻率和振幅。刀齒沖擊形成的振動要比磨削中產(chǎn)生的高得多，并且這些振動限制了非常有限的平衡的有效性。 

     指令刀具系統(tǒng)公司的PE，William Keefe解釋說：“跳動變化會影響振動，通常會消除來自平衡的增益。機(jī)加工比磨削允許更高的振動，原因是機(jī)加工公差一般比較大，而總體操作不會從更嚴(yán)格的平衡公差受益。因為這些原因，機(jī)床主軸和機(jī)床零件通常用G2.5及G6.3的振動級規(guī)定。”

    G數(shù)通常被指定給一個總體組件。機(jī)床主軸組件可能在操作中擁有G6.3的總體設(shè)計平衡水準(zhǔn)，而主軸和刀夾卻可能平衡到G2.5級。此外，主軸的重量和圓柱形構(gòu)造使它可以很容易平衡到G2.5、G1.0 甚至G0.4級。

    主軸的主要旋轉(zhuǎn)質(zhì)量可以在中心之間或通過中心方便地加以平衡，形成很高的分辨率及重復(fù)精度。一個組件的所有主要子部件都具有相同的振動水準(zhǔn)要求。

    由于刀夾的定位面是一個錐體，因此刀夾平衡比較困難。刀夾的輕重量，連同錐體/平衡機(jī)構(gòu)，使得在主軸轉(zhuǎn)速較高的情況下將刀夾平衡到G 1.0、G2.5或G6.3很困難。

    理想情況下，表面粗糙度是由進(jìn)給速度、切深及主軸轉(zhuǎn)速確定的。但是，表面粗糙度還受本底振動影響。來自良好切割的振動應(yīng)該是主軸轉(zhuǎn)速（rpm）的倍數(shù)。在主軸頻率下產(chǎn)生的力或其倍數(shù)，包括失衡力以及每個刀齒削掉切屑時產(chǎn)生的力。

    失衡力在組件中的作用可能像額外跳動。指令刀具系統(tǒng)公司估計，因平衡良好的刀具增加的跳動或者動態(tài)跳動為25 μ英寸~50 μ英寸 (0. 64 μm~1.3 μm)。在平衡至G12的刀夾以15,000r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，這個額外的跳動可能高達(dá)0.00016英寸(4.1 μm)。在一家大型制造廠進(jìn)行的一系列切削試驗發(fā)現(xiàn)，平衡至G2.5和G12的刀夾加工產(chǎn)生的表面粗糙度沒有明顯的差異。 

   但是，這只是一個試驗，如果從這些結(jié)果概括出一般性結(jié)論，那么就可能引起誤導(dǎo)。當(dāng)切屑負(fù)荷很小時，上升的G級其效應(yīng)可能就很明顯了。

    振動級法是考察平衡時約束性最高的方法。通常，由于缺乏理解，或者因想補償沒有實施或以不正確方式實施的平衡這種愿望，會指定不必要的具有約束性的平衡級。

    力控制，另一種處理平衡的方法，要求理解加工力和平衡力，并管理總體水準(zhǔn)以防主軸損壞。隨著轉(zhuǎn)速上升，平衡變得更加重要，因為因失衡而產(chǎn)生的力是速度平方的函數(shù)。

    在許多低速應(yīng)用中，不需要進(jìn)行任何類型的平衡操作。在主軸轉(zhuǎn)速較低時，平衡不重要，因為平衡引發(fā)的力很低。

    但是，在高速下，振動法不實用，因為力方程產(chǎn)生非常低的允許剩余失衡量。

    盡管振動法在某些情況下可能夸大平衡的重要性，但是力控制法卻忽略了這樣一個事實，那就是，盡管失衡力可能不會損壞機(jī)床，但加工出來的零件可能會不合格。

    盡管特定的失衡可能不會產(chǎn)生出一個高得足以損壞主軸的力，但是如果刀具不止一個切削刃，那么失衡力矢量的功能會像跳動一樣破壞工件表面粗糙度。這是因為失衡力隨著刀具旋轉(zhuǎn)，并且始終會相對于主軸面指向相同方位。即使很輕微的失衡，如果它旋轉(zhuǎn)足夠快，也可能形成100磅（445 N）的失衡力，這么大的力足以將主軸中心線拉成一個圓，這個圓的半徑等于主軸彈性常數(shù)乘以因失衡而產(chǎn)生的力。這種主軸中心線跳動是因刀夾失衡造成的。

    King說：“振動法比較保守，保證可以解決平衡問題。但是，在某些情況下，堅持這種方法會不經(jīng)濟(jì)或?qū)嶋H上不可能。在這些情況下，應(yīng)該對產(chǎn)生的力進(jìn)行評價，如果足夠低，那么就可以通過機(jī)床制造商及刀夾供應(yīng)商的協(xié)助而啟動一個嘗試過程，以確定是否可以產(chǎn)生緊公差。當(dāng)?shù)秺A以高出30,000 r/min的速度轉(zhuǎn)動時，無法達(dá)到G2.5。由于刀夾抓取和定位中所涉及的機(jī)構(gòu)的原因，任何時候試圖實現(xiàn)低于1 g-mm的失衡量都是一種浪費。”

    某些刀夾柄部和端部從平衡方面看要優(yōu)于其它產(chǎn)品。本文中，嚴(yán)格從平衡方面考慮刀夾。

刀夾平衡要考慮的問題

    在考慮采用哪種刀夾/刀具接口時，精度和抓取強(qiáng)度最重要。在許多操作中，可以有多種選擇，這時候，平衡可能是一個決定性因素。

    盡管摩擦性接口諸如莫氏或Jacobs錐度是對稱的，但不能在高速下使用，因此不考慮。Weldon型立銑刀刀夾可以加以平衡，但是它們通常因為跳動而性能不良，并且因止動螺釘而具有結(jié)構(gòu)上較弱的90°構(gòu)造。

    這兩個問題限制了立銑刀刀夾的性能，盡管它可以很好地進(jìn)行平衡，并且如果采用一致性比較好的刀具，它們會實現(xiàn)很好的平衡重復(fù)性。

    ANSI型或CT型刀柄具有最大的未修正平衡。它們帶有偏置驅(qū)動鍵來實現(xiàn)切削刃之間的同步，對于一把40錐度的刀夾，偏置驅(qū)動鍵可能引發(fā)90 g-mm，而對50錐度的刀夾，則可能引發(fā)400 g-mm的失衡。

因恒定失衡量造成的力隨轉(zhuǎn)速上升的曲線圖

此外，這些刀柄還具有一個不帶導(dǎo)向的保持旋鈕，在任何方向都可能導(dǎo)致5 g-mm ~ 25 g-mm的失衡。其它刀夾標(biāo)準(zhǔn)性能較好，并且對保持旋鈕進(jìn)行導(dǎo)向可以實現(xiàn)更高的平衡重復(fù)性。

     DIN69871標(biāo)準(zhǔn)和MAS 403 (BT)標(biāo)準(zhǔn)均類似于CT，但是旋鈕帶有導(dǎo)向性公制螺紋。平衡方面的最佳設(shè)計是BT法蘭刀夾，它們不帶偏置驅(qū)動鍵，并且結(jié)構(gòu)完全對稱。

     E和F HSK刀夾高速版中沒有非對稱結(jié)構(gòu)，因此它們自始至終都處于完美的平衡狀態(tài)。但是，由于A型HSK刀夾具有很難在兩個平面內(nèi)修正的固有失衡性，從平衡方面看，它們比ANSI型刀夾更差。

     套筒銑刀刀夾可以在組裝后加以平衡，但是通常會因?qū)�向塊上允許的公差而引發(fā)誤差。此外，某些刀具不對稱。對稱并不等同于偶數(shù)數(shù)量。具有三個和五個刀齒的刀具可以對稱，而一把四齒刀具卻不一定平衡。

     大多數(shù)可轉(zhuǎn)位刀具具有最高的額定轉(zhuǎn)速，盡管刀具可以針對更高速度平衡，但是卻不得以超出刀具廠家規(guī)定的速度運行。銑刀夾頭通常在高速和高功率加工中使用。盡管它們具有優(yōu)異的精度和抓取強(qiáng)度，但是它們的平衡重復(fù)性卻很差。如果運動元素較多，通常平衡重復(fù)性就比較低——盡管情況并非始終如此。液壓夾頭重復(fù)性和精度可以非常高。

     動態(tài)密封裝置，諸如活塞等，始終產(chǎn)生微泄漏。使用足夠長時間后，這種泄漏會大大限制性能。

     液壓夾頭還具有一個薄薄的限制其高速銑削有效性的彈性膜。在鉆削操作中（通常以低速進(jìn)行），液壓夾頭始終被認(rèn)為是一個良好的應(yīng)用。

     彈簧夾頭刀夾對于高速加工提供足夠高的抓取力。但是，在高功率加工中，該接合體可能發(fā)生滑移——特別是在低速時，因為力通常高于高速加工中產(chǎn)生的力。

     DR彈簧夾頭具有很精確的節(jié)距，帶有一個60度V形結(jié)構(gòu)，可以防止速度上升時松動。經(jīng)驗表明，端部直徑越小，刀夾運行速度就可以越高。彈簧夾頭結(jié)合體和彈簧夾頭是對稱的，具有非常好的平衡，并且一起運行時性能非常好。

     用于抽取彈簧夾頭的接頭需要具有經(jīng)過平衡或?qū)ΨQ的抽取裝置。 

     過盈配合刀夾不帶移動元件，并且是最好的高速連接裝置。它們的單體設(shè)計可以完美地定位刀具，并且是對稱的。主軸速度高于50000 r/min時產(chǎn)生的離心力是唯一在操作中松開刀夾抓取力的因素。盡管BT40過盈配合刀夾可能實現(xiàn)了完美對稱，并且因此對于高速加工從設(shè)計上實現(xiàn)了平衡狀態(tài)，但只有在去除了制造變化性后，它才可以以 15,000 r/min的速度運行。

     提示：用戶必須要能夠測量失衡量，以確保刀夾經(jīng)過了適當(dāng)平衡。過盈配合刀夾或彈簧夾頭通常只需要在出廠前進(jìn)行一次硬平衡。除非主軸轉(zhuǎn)速超出約30,000 r/min，否則經(jīng)過平衡處理的刀夾能充分滿足各種平衡要求。