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高速加工時的刀具平衡

高速加工（HSM）具有許多優(yōu)點，但是既要降低切削費用，又要最大限度地發(fā)揮高速加工的優(yōu)點，在實際生產(chǎn)中還需要克服許多困難。在高速加工中，當切削速度增加時，切削力將減小，利用這一特點，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，但在某些試驗中主軸轉(zhuǎn)速可達到500000r/min，在實際生產(chǎn)中可達到100000r/min。由于當主軸轉(zhuǎn)速超過8000r/min時，旋轉(zhuǎn)零件需要進行平衡，因此可將高速加工定義為轉(zhuǎn)速不低于8000r/min。當主軸轉(zhuǎn)速低于8000r/min時，只有當?shù)稐U質(zhì)量分布非常不平衡時，離心力才會對加工產(chǎn)生不利影響。?
隨著主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min的機床使用數(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。當旋轉(zhuǎn)刀桿的理論中心軸線與實際旋轉(zhuǎn)軸線不同心時，就會產(chǎn)生不平衡的情況。?
當決定是否需要對刀具進行平衡時應(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。其中一個最關(guān)鍵的問題是在高速加工時刀具不平衡對機床主軸軸承的損壞。不平衡的刀具會對主軸增加一個額外載荷，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用浪費，而且會因停機造成生產(chǎn)時間的損失。?
刀具不平衡會降低刀具性能和壽命，同時也會引起振顫，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。當主軸轉(zhuǎn)速增加時，離心力會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。?
通過改變設(shè)計和仔細選擇刀夾和刀具，可以修正一些不平衡因素。這就意味著對稱設(shè)計可在一定程度上避免不平衡。然而對于帶移動零件的可調(diào)刀桿和不對稱的刀桿，則需要采用刀具平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當組裝式刀具用于高速加工時，應(yīng)仔細考慮錐柄刀桿的設(shè)計因素、平衡可調(diào)節(jié)因素以及刀具精度和對稱性的選擇。?
錐柄刀桿的錐度尺寸公差對高速加工刀具的性能有很大影響。錐度的精度等級通常可參照國際標準ISO 1947。錐度公差是用以檢驗影響刀桿平衡和跳動的主軸鎖緊孔與刀桿錐度的公差。機床主軸錐度公差等級一般為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。每一項公差都會累加在一起引起刀具的偏心。這些因素包括刀具的圓跳動、刀夾系統(tǒng)的長度和其他零件（如夾頭，卡環(huán)等）的對稱性。?
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)計刀夾或可調(diào)平衡刀夾。平衡設(shè)計刀夾是從設(shè)計上對刀夾平衡度予以保證，但不能補償在裝配過程中由其他零件引起的不平衡。此時，只有假設(shè)由其他零件引起的不平衡是可忽略的，但在實際生產(chǎn)中往往不可行。因此我們建議在使用這種刀夾時要測量不平衡量，并盡可能保證其在標準允許的范圍內(nèi)。?

可調(diào)平衡刀夾除在設(shè)計上給予保證外，還能補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)致機床不能按所設(shè)定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，此時需要降低機床轉(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。?
平衡過程可以改進刀具和刀夾的質(zhì)量分布，使兩者旋轉(zhuǎn)時產(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。刀夾及其安裝、機床結(jié)構(gòu)等都將影響振動的特征。?
ISO 1940/1和ANSI 2.19—1989是定義平衡度的標準。兩個標準均在實用的基礎(chǔ)上，應(yīng)用“G”等級體系規(guī)定了平衡要求。例如，平衡度G2.5意味著圓周振動速度不超過2.5mm/s。這些等級隨著高質(zhì)量機床、刀具和刀夾的出現(xiàn)而不斷提高。當規(guī)定的平衡度不能達到時，應(yīng)降低主軸轉(zhuǎn)速。