高速加工时的刀具平衡分析

优胜编程龚老师

高速加工时的刀具平衡分析:



高速加工（HSM）具有许多优点，但是既要降低切削费用，又要最大限度地发挥高速加工的优点，在实际生产中还需要克服许多困难。在高速加工中，当切削速度增加时，切削力将减小，利用这一特点，可以通过增大主轴转速加工出尺寸公差和表面粗糙度更小的零件。尽管高速加工尚无明确定义，但在某些试验中主轴转速可达到500000r/min，在实际生产中可达到100000r/min。由于当主轴转速超过 8000r/min时，旋转零件需要进行平衡，因此可将高速加工定义为转速不低于8000r/min。当主轴转速低于8000r/min时，只有当刀杆质量分布非常不平衡时，离心力才会对加工产生不利影响。

随着主轴转速高于8000r/min的机床使用数量不断增加，组合刀具的平衡问题就显得格外重要，它涉及刀具和刀夹。当旋转刀杆的理论中心轴线与实际旋转轴线不同心时，就会产生不平衡的情况。当决定是否需要对刀具进行平衡时应考虑许多问题，而通常情况下许多使用者往往忽视了这些问题。其中一个最关键的问题是在高速加工时刀具不平衡对机床主轴轴承的损坏。不平衡的刀具会对主轴增加一个额外载荷，从而引起主轴轴承过早磨损和失效。这不仅造成修理和更换主轴轴承的费用浪费，而且会因停机造成生产时间的损失。刀具不平衡会降低刀具性能和寿命，同时也会引起振颤，使加工表面质量变差。切削刀具和刀具夹头（尤其是7：24锥柄）存在许多潜在的不平衡因素。

当主轴转速增加时，离心力会引起主轴孔略微胀大，而刀杆的锥柄不能随主轴胀大，这就会减小刀杆与主轴的接触面积，从而降低连接的牢固性。通过改变设计和仔细选择刀夹和刀具，可以修正一些不平衡因素。这就意味着对称设计可在一定程度上避免不平衡。然而对于带移动零件的可调刀杆和不对称的刀杆，则需要采用刀具平衡调节系统。当组装式刀具用于高速加工时，应仔细考虑锥柄刀杆的设计因素、平衡可调节因素以及刀具精度和对称性的选择。

锥柄刀杆的锥度尺寸公差对高速加工刀具的性能有很大影响。锥度的精度等级通常可参照国际标准ISO 1947。锥度公差是用以检验影响刀杆平衡和跳动的主轴锁紧孔与刀杆锥度的公差。机床主轴锥度公差等级一般为AT2，但AT3更好。除了锥度公差外，在刀具装配中还需考虑其它因素。每一项公差都会累加在一起引起刀具的偏心。这些因素包括刀具的圆跳动、刀夹系统的长度和其他零件（如夹头，卡环等）的对称性。

在高速加工中，我们必须清楚引起不平衡的因素和减小不平衡的措施。其中影响程度最大的就是刀夹。在高速加工中，应优先使用平衡设计刀夹或可调平衡刀夹。平衡设计刀夹是从设计上对刀夹平衡度予以保证，但不能补偿在装配过程中由其他零件引起的不平衡。此时，只有假设由其他零件引起的不平衡是可忽略的，但在实际生产中往往不可行。因此我们建议在使用这种刀夹时要测量不平衡量，并尽可能保证其在标准允许的范围内。可调平衡刀夹除在设计上给予保证外，还能补偿装配过程中由其他零件引起的不平衡。制造商们已经采用了许多方法来平衡刀夹，如使用螺钉、钢球、调节环和调节块等。可调平衡刀夹补偿不平衡的能力是有限的，在一些情况下，由于不平衡质量太大，以至不能使刀具恢复平衡，从而导致机床不能按所设定的转速运转，此时需要降低机床转速和重新组装刀具。其它制约高速加工的因素还包括工件材料、工件悬伸量、夹具、刀具廓形、切削深度等。

平衡过程可以改进刀具和刀夹的质量分布，使两者旋转时产生最小的不平衡离心力。然而平衡过程不可能涉及所有的不平衡因素。任何程度的不平衡质量都将造成振动。刀夹及其安装、机床结构等都将影响振动的特征。ISO 1940/1和ANSI 2.19—1989是定义平衡度的标准。两个标准均在实用的基础上，应用“G”等级体系规定了平衡要求。例如，平衡度G2.5意味着圆周振动速度不超过 2.5mm/s。这些等级随着高质量机床、刀具和刀夹的出现而不断提高。当规定的平衡度不能达到时，应降低主轴转速。