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高速加工時(shí)的刀具平衡

高速加工（HSM）具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是既要降低切削費(fèi)用，又要最大限度地發(fā)揮高速加工的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中還需要克服許多困難。在高速加工中，當(dāng)切削速度增加時(shí)，切削力將減小，利用這一特點(diǎn)，可以通過增大主軸轉(zhuǎn)速加工出尺寸公差和表面粗糙度更小的零件。
盡管高速加工尚無明確定義，但在某些試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到500000r/min，在實(shí)際生產(chǎn)中可達(dá)到100000r/min。由于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過8000r/min時(shí)，旋轉(zhuǎn)零件需要進(jìn)行平衡，因此可將高速加工定義為轉(zhuǎn)速不低于8000r/min。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于8000r/min時(shí)，只有當(dāng)?shù)稐U質(zhì)量分布非常不平衡時(shí)，離心力才會(huì)對(duì)加工產(chǎn)生不利影響。?
隨著主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min的機(jī)床使用數(shù)量不斷增加，組合刀具的平衡問題就顯得格外重要，它涉及刀具和刀夾。當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀桿的理論中心軸線與實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線不同心時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不平衡的情況。?
當(dāng)決定是否需要對(duì)刀具進(jìn)行平衡時(shí)應(yīng)考慮許多問題，而通常情況下許多使用者往往忽視了這些問題。其中一個(gè)最關(guān)鍵的問題是在高速加工時(shí)刀具不平衡對(duì)機(jī)床主軸軸承的損壞。不平衡的刀具會(huì)對(duì)主軸增加一個(gè)額外載荷，從而引起主軸軸承過早磨損和失效。這不僅造成修理和更換主軸軸承的費(fèi)用浪費(fèi)，而且會(huì)因停機(jī)造成生產(chǎn)時(shí)間的損失。?
刀具不平衡會(huì)降低刀具性能和壽命，同時(shí)也會(huì)引起振顫，使加工表面質(zhì)量變差。?
切削刀具和刀具夾頭（尤其是7：24錐柄）存在許多潛在的不平衡因素。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，離心力會(huì)引起主軸孔略微脹大，而刀桿的錐柄不能隨主軸脹大，這就會(huì)減小刀桿與主軸的接觸面積，從而降低連接的牢固性。?
通過改變?cè)O(shè)計(jì)和仔細(xì)選擇刀夾和刀具，可以修正一些不平衡因素。這就意味著對(duì)稱設(shè)計(jì)可在一定程度上避免不平衡。然而對(duì)于帶移動(dòng)零件的可調(diào)刀桿和不對(duì)稱的刀桿，則需要采用刀具平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)組裝式刀具用于高速加工時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮錐柄刀桿的設(shè)計(jì)因素、平衡可調(diào)節(jié)因素以及刀具精度和對(duì)稱性的選擇。?
錐柄刀桿的錐度尺寸公差對(duì)高速加工刀具的性能有很大影響。錐度的精度等級(jí)通?？蓞⒄諊H標(biāo)準(zhǔn)ISO 1947。錐度公差是用以檢驗(yàn)影響刀桿平衡和跳動(dòng)的主軸鎖緊孔與刀桿錐度的公差。機(jī)床主軸錐度公差等級(jí)一般為AT2，但AT3更好。?
除了錐度公差外，在刀具裝配中還需考慮其它因素。每一項(xiàng)公差都會(huì)累加在一起引起刀具的偏心。這些因素包括刀具的圓跳動(dòng)、刀夾系統(tǒng)的長度和其他零件（如夾頭，卡環(huán)等）的對(duì)稱性。?
在高速加工中，我們必須清楚引起不平衡的因素和減小不平衡的措施。其中影響程度最大的就是刀夾。在高速加工中，應(yīng)優(yōu)先使用平衡設(shè)計(jì)刀夾或可調(diào)平衡刀夾。平衡設(shè)計(jì)刀夾是從設(shè)計(jì)上對(duì)刀夾平衡度予以保證，但不能補(bǔ)償在裝配過程中由其他零件引起的不平衡。此時(shí)，只有假設(shè)由其他零件引起的不平衡是可忽略的，但在實(shí)際生產(chǎn)中往往不可行。因此我們建議在使用這種刀夾時(shí)要測(cè)量不平衡量，并盡可能保證其在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。?

可調(diào)平衡刀夾除在設(shè)計(jì)上給予保證外，還能補(bǔ)償裝配過程中由其他零件引起的不平衡。制造商們已經(jīng)采用了許多方法來平衡刀夾，如使用螺釘、鋼球、調(diào)節(jié)環(huán)和調(diào)節(jié)塊等。?
可調(diào)平衡刀夾補(bǔ)償不平衡的能力是有限的，在一些情況下，由于不平衡質(zhì)量太大，以至不能使刀具恢復(fù)平衡，從而導(dǎo)致機(jī)床不能按所設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)需要降低機(jī)床轉(zhuǎn)速和重新組裝刀具。?
其它制約高速加工的因素還包括工件材料、工件懸伸量、夾具、刀具廓形、切削深度等。?
平衡過程可以改進(jìn)刀具和刀夾的質(zhì)量分布，使兩者旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生最小的不平衡離心力。然而平衡過程不可能涉及所有的不平衡因素。?
任何程度的不平衡質(zhì)量都將造成振動(dòng)。刀夾及其安裝、機(jī)床結(jié)構(gòu)等都將影響振動(dòng)的特征。?
ISO 1940/1和ANSI 2.19—1989是定義平衡度的標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均在實(shí)用的基礎(chǔ)上，應(yīng)用“G”等級(jí)體系規(guī)定了平衡要求。例如，平衡度G2.5意味著圓周振動(dòng)速度不超過2.5mm/s。這些等級(jí)隨著高質(zhì)量機(jī)床、刀具和刀夾的出現(xiàn)而不斷提高。當(dāng)規(guī)定的平衡度不能達(dá)到時(shí)，應(yīng)降低主軸轉(zhuǎn)速。