高速加工的優(yōu)點眾多，但前提是必須有相應的技術支撐鹃漩，否則輕則縮短刀具壽命策冕，影響產品質量，重則發(fā)生極為惡劣的安全生產事故怜俐。研究表明身堡，隨著主軸轉速的增加，主軸拍鲤、刀具系統(tǒng)產生的慣性離心力將呈平方級數(shù)增長贴谎，而慣性離心力使刀具壽命降低，使主軸軸承受到方向不斷變化的徑向力的作用而加速磨損刀具季稳，還會引起機床振動擅这，導致加工精度降低，甚至可能造成重大的事故和傷害景鼠。由此仲翎，刀具動平衡技術成為支撐高速加工順利進行的關鍵技術，同時也是推行高速加工的必要前提铛漓。
刀具動平衡技術的理論研究

1 刀具動平衡與動平衡失穩(wěn)

　　刀具動平衡是一個動態(tài)指標溯香，它描述了回轉主軸、刀具系統(tǒng)動平衡優(yōu)劣程度。工程上實際并不存在絕對的動平衡玫坛，所謂的動平衡更多的是指該刀具系統(tǒng)回轉時的平衡程度结笨。ISO1940“剛性轉子的動平衡質量要求”標準規(guī)定[1], 一個轉子的不平衡量（或稱殘留不平衡量）用U表示（單位為g·mm），U值可在平衡機上測得傅慈；某一轉子允許的不平衡量（或稱允許殘留不平衡量用刀具動平衡技術的車間級應用U per表示蹦虏。從工程實施的角度考慮，轉子允許的殘留不平衡量與轉子的質量有關碘淘，即：質量越大所允許的殘留不平衡量也越大刮血。單位質量殘留不平衡量用e表示，即e=U/m（（g·mm）/kg）惰采，因此有eper=U per/m棚泛。U和e都是轉子相對于給定回轉軸所具有的準動態(tài)特性，可定量表示轉子的不平衡程度褒述。

　　事實上牢米，一個轉子動平衡的優(yōu)劣還與其使用時的轉速有關。當轉子高速旋轉時逃窜，其動平衡會變得較為微妙：一旦轉速到達一個臨界值時郊舅，只需一個極為微小的擾動力就會打破轉子固有的平衡狀態(tài)，使轉子產生很大的變形甚至破壞止骨，這便是動平衡失穩(wěn)席赂。動平衡失穩(wěn)現(xiàn)象的根本原因是轉子回轉過程中產生的慣性離心力。一般來說时迫，相對于旋轉刀柄而言颅停，主軸以及接口的剛度要大得多，因此刀柄可以簡化為懸臂梁模型掠拳，當?shù)侗阅骋晦D速轉動時, 若在懸臂端點處作用一個外力癞揉，該刀柄將產生變形，轉軸因變形處于動不平衡狀態(tài)溺欧，由此產生的離心力將使軸進一步產生變形喊熟，最終導致轉子動平衡失穩(wěn)。

　　假設刀具在離旋轉中心r（mm）處有等效的不平衡質量m（g）姐刁，刀具不平衡質量與其偏心的乘積定義（m·r）為刀具不平衡量U（單位：g·mm）芥牌。當?shù)毒咝D速度為n（r/min）時, 便產生慣性離心力fc[2]：

fc=19mr(πn)2×10?8。（1）

　　若刀具質量為15kg聂使，在實際使用過程中壁拉，即使僅出現(xiàn)5μm的偏心距，但在轉速為20000r/min的情況下柏靶，也會產生330N以上的慣性離心力弃理。而當轉速增加到30000r/min時贼匾，產生的慣性離心力將劇增到750N（圖1）。

2 刀具動平衡失穩(wěn)的主要原因

　　刀具動平衡失穩(wěn)的主要因素見圖2桑趴。

2.1. 刀具不平衡

（1）金相缺陷導致刀具材質不均，從而引發(fā)不平衡逻盅；
（2）刀具制造尺寸精度偏差導致不平衡盔连；
（3）非對稱式刀具、刀柄以及連接件導致不平衡阻羞；
（4）刀具使用時產生偏移導致不平衡凰染；
（5）非整體式刀具系統(tǒng)裝配時的累積誤差導致不平衡。

2.2 主軸不平衡

（1）主軸裝配過程中產生的不平衡;
（2）精度差產生的不平衡;
（3）非均勻磨損引起的不平衡忘拧。

2.3. 其他因素

（1） 刀具裝夾誤差導致的不平衡捏诫。
（2） 刀柄彈簧組件發(fā)生偏移導致的不平衡。
（3） 刀柄與主軸接合面上顆粒物污染導致不平衡溃擒。
（4） 冷卻潤滑液導致不平衡连定。
（5） 耦合不平衡。

　　目前幾乎所有的高速切削機床主軸在出廠前都經(jīng)過嚴格的動平衡檢測校對叮洋，因此產生動平衡失穩(wěn)的主要因素是刀具系統(tǒng)不平衡引起的磁携。

3 刀具動平衡等級的評判

　　刀具動平衡是一個動態(tài)的概念，優(yōu)劣程度該如何判定良风，這一點ISO1940標準有著非常明確的規(guī)定谊迄。動平衡質量等級G（單位mm/s）是指eper與角速度ω的乘積。例如烟央，某個刀具系統(tǒng)（含刀柄）平衡等級G79统诺，表示該轉子的e值與使用時ω值的乘積應小于或等于79。為了確定高速旋轉刀具統(tǒng)一的合理平衡質量等級G疑俭，由德國政府和機器制造商協(xié)會（VDMA）所屬精密工具專業(yè)委員會牽頭成立了工作組粮呢，并提出了“高速旋轉刀具系統(tǒng)平衡要求”的指導性規(guī)范（FMK-Richtlinie）[3]。

　　該規(guī)范對刀具平衡質量等級的制定原則以及具體確定方法做了嚴格的描述（圖3）钞艇，總結起來有5點：

（1）刀具平衡質量等級的要求應充分考慮技術性和經(jīng)濟性鬼贱。
（2）以主軸軸承動態(tài)載荷的大小作為刀具平衡質量的評價尺度，并規(guī)定以G16作為統(tǒng)一的上限值香璃。
（3）確定刀具系統(tǒng)合理不平衡量的下限值為刀具系統(tǒng)安裝在機床主軸上時存在的偏心量这难。
（4）刀具的內冷卻孔必須對稱分布。
（5）如果必要可將刀具刀柄系統(tǒng)和機床主軸作為一個整體進行平衡葡秒。

刀具動平衡技術的車間級應用

1 刀具動平衡技術的應用基礎

　　刀具系統(tǒng)的動平衡失穩(wěn)是高速加工的固有特性躲窜，會給加工帶來嚴重的安全隱患和質量隱患，長期在動平衡失穩(wěn)的狀態(tài)下進行高速加工會造成嚴重的后果捺膳。

（1）機床主軸因頻率性劇烈振動會使其壽命將大大降低咧笔；
（2）過大慣性離心力將使得刀具系統(tǒng)加速磨損鉴膝；
（3）由于機床主軸的振動和刀具磨損，零件的尺寸精度和表面質量將無法保證垂票，甚至報廢李晾；
（4）當主軸-刀具系統(tǒng)無法承受巨大的慣性離心力時將發(fā)生嚴工條件下其后果不可預計。

　　因此刀具動平衡技術在車間的應用不僅是保證零件質量的需要育需，同時也可以延長機床壽命恕且、減少刀具磨損，更是保證生產安全的必要手段阎揪。

　　以某車間引進的龍門機床GMC50100u為例吩欣，該機床適用HSKA63刀具系統(tǒng)，根據(jù)VDI2056（DIN/ISO10816）“機械振動評定標準”的規(guī)定海庆，可將使主軸軸承產生最大振動速度（1~2.8mm/s）的不平衡量作為刀具系統(tǒng)允許不平衡量的上限值恋瞳。當以1mm/s或2.8mm/s的振動速度作為評價尺度時, 在主軸軸承振動速度固定時，HSK-A63刀具系統(tǒng)在一定轉速范圍內所允許的平衡質量等級G的上限值與刀具的質量溃蔫、轉速有關健提，我們分別選取主軸振動速度為1mm/s和2.8mm/s，轉速范圍10000~40000r/min伟叛，針對重量為1.5kg矩桂、2kg、5kg的3種HSK-A63 刀柄痪伦，計算出其對應的動平衡質量等級G上限值[4]（見表1）侄榴。

　　由表1可見，1.5kg网沾、2kg和5kg3種刀具系統(tǒng)在試驗條件下允許的最大G值為240g·mm癞蚕，而最小G值僅為5g·mm。換句話說辉哥，在實際加工中我們必須保證刀具系統(tǒng)的動平衡量小于表1中對應條件的G值桦山，否則將會對高速加工產生不利的影響。

2 刀具動平衡技術的車間級應用

　　刀具動平衡技術的車間應用不同于試驗環(huán)境應用醋旦，不僅要考慮刀具系統(tǒng)動平衡質量優(yōu)劣問題恒水，更重要的是能具有較強的操作性和便捷性，一般來說動平衡技術的車間級應用主要分為離線型和在線型2種俗耗。

2.1 刀具離線動平衡技術應用

　　離線型的刀具動平衡技術是使用專用的刀具動平衡儀來實現(xiàn)的姑郊，其流程如圖4所示。

　　刀具動平衡儀將刀具低速運行時產生的不平衡量通過信號放大缝聋，從而實現(xiàn)對諸如10000r/m以上轉速的刀具系統(tǒng)G值測量裂膛。目前動平衡機大都配有數(shù)字顯示式測量設備，并可通過人機對話操作在啟動前設置刀具兩校正面間的距離废徙、校正面與支承點間的距離和校正面的半徑紧贪，一次啟動后就可將刀具的不平衡量和相位測量出來狂嘉。

　　仍以HSKA63刀具系統(tǒng)為例，首先將刀具裝夾在刀具動平衡儀上進行測量藤该，測量結果為左滑動面上的不平衡量為345g·mm询蚊，相位179°；右滑動面上的不平衡量為178g·mm里状，相位268°因震。測量結果顯示其不平衡量過大，需要進行調整别肄。為此將相同的不平衡值設計在與原不平衡點成180°的位置上酣衷，工作時兩反力相抵消交惯，力平衡方程為:

m1r1ω2=m1r2ω2 次泽，（2）

式中：m為不平衡質量；r為偏心半徑席爽；ω為角轉速意荤。

　　因角速度相等，因此只锻，設計的修正不平衡質量與原不平衡質量相等玖像，只要滿足mr的乘積相等即可。經(jīng)過在左滑動面和右滑動面上調整平衡環(huán)或配重螺釘后齐饮，再進行平衡測量捐寥，結果為：左滑動面上的不平衡量為9.5g·mm，相位23°祖驱；右滑動面上的不平衡量為8.7g·mm握恳，相位106°，達到了小于10g·mm的動平衡要求捺僻，可以用于高速加工乡洼。如果經(jīng)過配重調整后，發(fā)現(xiàn)刀具的不平衡量依然達不到允差要求嚼讹，則需要重新進行調整扛焊，然后再次檢測，如此循環(huán)往復直到不平衡量達到相應的要求為止（不平衡量的最低要求可參考表1）脊腺。工程實際證明崎绽，僅用一次調整就滿足動平衡要求的情況較少，多數(shù)情況需要操作者進行反復測量調整方可達到要求茉园。

2.2 刀具在線動平衡技術

　　機床操作人員在加工現(xiàn)場使用刀具時瘩邀，由于對工具系統(tǒng)進行組合及對刀柄與主軸進行聯(lián)接時均可能產生一定偏心量，從而使經(jīng)過預先平衡的刀具產生新的不平衡茵窃，而離線型的刀具動平衡技術對刀具動平衡的測量實時性不強依矿，其調整配重時間又因人而異勉徘，對于新上手的操作者來說，刀具的配重可能是一件非常費時費力的事情范蛉，效率不高羊湃。因此，開發(fā)一種能使整個刀具刀柄-主軸系統(tǒng)在驅動狀態(tài)下實現(xiàn)平衡的在線平衡系統(tǒng)極具對價值份噪，利用該系統(tǒng)甚至有可能直接對未經(jīng)預先平衡的刀具組件進行加工然走。

　　美國Kennametal公司開發(fā)的在線平衡系統(tǒng)由平衡刀柄、加速度傳感器戏挡、控制器和調節(jié)器組成芍瑞。其特點是將電磁驅動的配重盤配置在刀柄內，通過自動調節(jié)刀柄配重盤的相對位置褐墅，系統(tǒng)可對主軸和工具系統(tǒng)進行整體平衡拆檬，無需使用特殊主軸。

　　這種系統(tǒng)的先進性是不言而喻的妥凳，它省去了人工配重的繁復竟贯，配重時不必把刀具從機床上拆除，使刀具系統(tǒng)時刻處于動平衡監(jiān)控狀態(tài)逝钥，甚至使用未經(jīng)預先平衡的刀具也可以自行調整至動平衡狀態(tài)屑那。但該系統(tǒng)仍存在弊端：

（1）動平衡判斷問題。

　　刀具系統(tǒng)在線運轉時艘款，機床內部及外部情況較為復雜多變持际，切削液的沖刷，飛屑的沖擊及切削力作用哗咆，這些因素都會影響到動平衡的判定搂物，如果不加以考慮那么刀具在線動平衡系統(tǒng)將頻繁報警停機，反復進行動平衡調整侍肯，既不經(jīng)濟又影響效率姥咖。

（2）刀具成本問題。

　　這種刀具在線動平衡系統(tǒng)是將動平衡檢測身犯、調整等模塊統(tǒng)一集成在一把刀具上碟灾，構成一個完整的系統(tǒng)。但對于車間級應用來說并不現(xiàn)實动娄。某車間加工中心數(shù)控機床16臺倾秤，庫存整體式刀具（含刀柄）數(shù)以千計，其中用于高速加工的刀具刀柄數(shù)量也非常龐大篓疚，如果都采用刀具在線動平衡系統(tǒng)那么成本將難以承受衬朗。

結束語

　　隨著型號任務難度的日益增大，航天制造業(yè)正經(jīng)歷著全面推行高速加工的變革掂演。在高速機床大量引進的背景下捧贺，重視高速加工相關技術的應用也非常重要角葱。主軸-刀具系統(tǒng)的不平衡是由多種原因引起的，高速切削時座泳，主軸轉速很高, 不平衡量會引起非常大的慣性離心力惠昔。在國內，刀具動平衡技術的推廣和應用水平還相對較低挑势，在傳統(tǒng)思想上還沒有把動平衡作為實施高速加工的必備條件來看待镇防。試驗表明，未經(jīng)動平衡的刀具潮饱，其不平衡量較大, 尤其在轉速較高時来氧，所使用的刀具必須要經(jīng)過動平衡測試或使用能自動平衡補償?shù)牡毒摺?br>

（上海航天精密機械研究所）

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