刀具動平衡技術的發展現狀

1.引言
　　從二十世紀八十年代開始，隨著現代制造技術的快速發展，金屬切削加工進入了以高速切削為代表的發展階段。由于高速切削技術具有明顯的技術優勢，目前已在工業發達國家的汽車、飛機、模具等工業制造領域得到廣泛應用，產生了巨大的技術經濟效益，并顯示出在二十一世紀現代制造技術發展中具有的重要地位和廣闊應用前景。
　　“高速切削”目前還是一個發展中的相對概念。對于不同的工件材料和不同的加工工序，要求達到的切削速度并不相同，通常可將切削速度(或進給速度)較普通切削提高5～1O倍歸入高速切削范疇。
　　高速切削的實現需要建立在機床、刀具等相關領域最新技術成果的基礎上。目前，高速切削主要應用于在加工中心機床上采用銑刀、鏜刀、孔加工刀具等旋轉刀具進行的切削加工，所用加工中心機床的主軸轉速通常在10000r/min以上。當加工中心機床主軸轉速高達10000r/min以上時，高速旋轉的刀具(包括夾持刀柄)存在的不平衡量所產生的離心力將對主軸軸承、機床部件等施加周期性載荷，從而引起振動，這將對主軸軸承、刀具壽命和加工質量造成不利影響。因此，高速切削加工對旋轉刀具提出了嚴格的動平衡要求。研究高速旋轉刀具的動平衡技術、有效控制刀具不平衡量是研制開發和推廣應用高速切削技術的必要前提和配套技術。德國的切削行業對高速旋轉刀具動平衡技術做了大量研究開發工作，本文結合有關報導對高速切削刀具動平衡技術的研究現狀及一些相關問題作一介紹。
　　2．動平衡的一般概念
　　旋轉刀具的動平衡原理與一般旋轉零件的動平衡原理相似。首先，刀具結構的設計應盡可能對稱；其次，在需要對刀具進行平衡時，可根據測出的不平衡量采用刀柄去重或調節配重等方法實現平衡。由于刀具品種不同，具體采用的平衡方法也不相同。法國EPB公司特制的平衡刀具(柄)產品內裝了平衡配重機構，并設置了配重刻度，通過轉動配重環，調整其相對位置，即可補償因刀具結構不對稱或調刀引起的不平衡量；德國Walter公司的高速面銑刀則采用螺釘調節不平衡量。
　　對于普通的刀具或工具系統，可由刀具制造商或用戶借助于平衡機進行平衡。但是，如何科學、定量地規定和評價刀具的平衡質量以及在不同加工條件下允許的刀具不平衡量，是刀具制造商和用戶關心的首要問題。為此，有必要介紹一下機械轉子動平衡的一般概念。
　　IS0 1940《剛性轉子的動平衡質量要求》標準規定，一個轉子的不平衡量(或稱殘留不平衡量)用U表示(單位為gmm)，U值可在平衡機上測得；某一轉子允許的不平衡量(或稱允許殘留不平衡量)用Uper表示。從實際平衡效果考慮，通常轉子的質量m(kg)越大，其允許殘留不平衡量也越大。為對轉子的平衡質量進行相對比較，可用單位質量殘留不平衡量e表示，即e=U/m(gmm/kg)，相應地即有eper=Uper/m。U和e是轉子本身對于給定回轉軸所具有的靜態(或稱準動態)特性，可定量表示轉子的不平衡程度。從準動態的角度看，一個用U、e和m值表示其靜態特性的轉子完全等效于一個質量為m(kg)、且其重心與回轉中心的偏心距為e(μm)的不平衡轉子，而U值則為轉子質量m(kg)與偏心距e(μm)的乘積。因此，也可將e稱為殘留偏心量，這是e的一個很有用的物理含義。
　　實際上，一個轉子平衡質量的優劣是一個動態概念，它與使用的轉速有關。如ISO 1940標準給出的平衡質量等級圖上一組離散的標有G值的45°斜線表示不同的平衡質量等級，其數值為eper(gmm／kg)與角速度ω(rad／s)的乘積(單位為mm／s)，用于表示一個轉子平衡質量的優劣。例如，某個轉子的平衡質量等級G＝6.3，表示該轉子的e值與使用時ω值的乘積應小于或等于6.3。使用時，可根據要求的平衡質量等級G及轉子可能使用的最大轉速，從圖上查出轉子允許的eper值，再乘以轉子質量，即可求出該轉子允許的不平衡量 。
　　接下來的問題是如何確定高速旋轉刀具的合理平衡質量等級G，從而得出在最高使用轉速下要求的Uper值。
　　3．合理平衡質量等級的確定
　　為了確定高速旋轉刀具統一的合理平衡質量等級G，由德國政府和機器制造商協會(VDMA)所屬精密工具專業委員會牽頭成立了工作組，將刀具動平衡技術作為一個“要求公開”的項目進行了系統研究。研究組的成員來自相關行業及技術領域，如刀具、機床和平衡機制造行業、用戶行業、大學和研究機構等。根據他們的研究結果，提出了“高速旋轉刀具系統平衡要求”的指導性規范(FMK?Richtlinie)。
　　該規范有三個要點：
　　(1)認為對刀具平衡質量等級的要求是由上限值和下限值界定的一個范圍，大于上限值時刀具的不平衡量將對加工帶來負面影響，而小于下限值則表明不平衡量要求過嚴，這在技術和經濟上既不合理且無必要。
　　(2)以主軸軸承動態載荷的大小作為刀具平衡質量的評價尺度，并規定以G16作為統一的上限值。由于切削加工條件以及影響加工效果因素的多樣性，以加工效果的好壞作為刀具平衡的評價尺度并不能普遍適用，而因刀具不平衡引起的主軸軸承動態載荷的大小則是與不平衡量直接相關的參數，因此提出以主軸軸承動態載荷的大小作為制定統一平衡要求的依據。
　　根據VDI加56(DIN／ISO10816)“機械振動評定標準”的規定，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允許不平衡量的上限值。當以lmm/s或2.8mm/s的振動速度作為評價尺度時，不同重量的HSK一63刀柄在一定轉速范圍內所允許的平衡質量等級G的上限值(三條曲線b)表明，G的上限值與刀具的質量、轉速和選定的機床主軸振動速度有關，且分散在一個較大范圍內。工作組選取振動速度1.2mm/S、2mm/s、轉速范圍10000～40000r/min、重量0.5～10kg的不同規格HSK刀柄，計算出27個G的上限值，其中最大G值達201，最小G值僅為9。
　　綜合考慮高速旋轉刀具的安全要求和使用的方便性，工作組提出一個折衷的刀具系統平衡等級要求，即選取G16作為統一的上限值，這樣除無法滿足一個G9值外，可滿足計算所得全部G值覆蓋的加工條件范圍(即轉速為l0000～40000r/min，刀具系統重量為0.5～12kg，振動速度為2mm/s)。
　　(3)確定刀具系統合理不平衡量的下限值為刀具系統安裝在機床主軸上時存在的偏心量(單位為)，根據現有機床制造水平，該值通常為2～5μm(根據每臺機床的具體情況而略有不同)。以安裝偏心量作為下限值，表明將刀具系統的允許殘留偏心量eper(μm)平衡到小于2～5μm并無意義。當轉速在40000r/min以下時，上限值G16所對應的允許殘留偏心量eper值(μm)(或單位重量允許殘留不平衡量，gmm／kg)均大于刀具系統的換刀重復定位精度值(僅當轉速等于40000r／min時，eper=4μm)。因此．規定上限值為G16、下限值為2～5μm(或gmm／kg)既可防止不平衡量過大對機床主軸的不利影響，又具有技術、經濟合理性。此外，G16的規定還滿足了高速旋轉刀具安全標準(E DIN EN ISO15641)中規定刀具平衡等級應優于G40的要求。
　　該指導性規范還要求刀具的內冷卻孔必須對稱分布．否則可灌滿冷卻液封死洞口后再進行動平衡；并提出必要時可將刀具和機床主軸作為一個系統進行平衡．即首先分別對主軸和刀具(或工具系統)進行平衡．然后將刀具裝入主軸后再對系統整體進行平衡。
　　4.關于刀具平衡質量等級的討論
　　雖然德國已出臺了有關刀具系統平衡質量的指導性文件以及統一的G16平衡質量等級規定．但仍存在不少關于刀具系統平衡質量等級的爭議與討論。歸納起來主要有以下兩方面的問題：
　　(1)G16的平衡質量等級規定給人一種“要求降低”的感覺，一般用戶已習慣了較高的平衡質量等級，仍要求刀具制造商提供G2.5(最大使用轉速20000r／min)的刀具。另一方面，刀具制造商從市場競爭的需要出發．也盡可能使產品的平衡質量等級優于G16。因此，在現階段，工具制造商(包括刀具、刀柄、夾頭制造商)除滿足用戶提出的特殊使用條件及平衡要求外，都是根據各自的產品特點及制造水平自行規定產品出廠的平衡質量等級。一些大型用戶企業如Bosch Technology公司、Daimler Chrysler Aerospace公司等則根據刀具的使用條件規定企業內部的平衡質量等級。
　　(2)德國Ulm高等專科學校的Uwe.Kolb等人通過試驗發現，在三臺平衡機上由不同操作者對同一把重量為0.87kg、使用HSK63刀柄的整體刀具進行多次測量，得出的不平衡量最小為4.76Ogmm，最大為10.55Ogmm，可以計算出，在使用轉速=15000r／min時，前者相當于G9，后者則相當于G19，G值的分散范圍接近l0。對8種常用刀具一刀柄組合系統進行的類似試驗進一步證明了這種分散性，試驗結果表明，所有測量數據都達不到G2.5，甚至G6.3也不是在所有轉速下均能達到。研究人員指出，這種不平衡量的不確定性與缺乏統一的測量儀器和測試方法有關。目前，用于測量不平衡量的動平衡機既有專業廠家生產的通用型(一般為臥式)，也有專為刀具動平衡而開發的專用型(一般為立式)。試驗結果表明，不同的操作者使用不同類型的動平衡機對相同刀具測得的不平衡量數據并不一致。這也是目前用戶難以重復測出刀具制造商測定的不平衡量的主要原因。
　　一些研究人員提出，刀具合理的平衡質量等級可按以下方式確定：對于金屬切除量較大的粗加工(如飛機整體鋁合金構件、大型模具的模腔、鋁合金殼體等的加工)，刀具平衡質量等級達G16即已足夠，但當這種粗加工消耗功率較大時，在15000～24000r／min轉速范圍內則可采用G6.3～G8.0，以減小不平衡力對主軸軸承的附加載荷。對于精加工，則要求刀具系統的平衡質量等級至少應達G6.3。也不排除采用更高的平衡質量等級(甚至可比FKM規范的下限值更小)，這就需要對裝入主軸后的工具系統與主軸作為一個整體進行在線平衡。
　　目前，德國Schunk公司新推出的帶液壓脹緊夾頭的HSK63整體結構刀柄的出廠平衡質量等級為G6.3，其殘留不平衡量為4gmm，推薦轉速為15000r/min。該公司生產的可精細調節平衡的液壓脹緊夾頭的使用轉速可達50000r/min。
　　5.刀具在線平衡系統
　　用戶在加工現場使用刀具時，由于對工具系統進行組合及對刀柄與主軸進行聯接時均可能產生一定偏心量，從而使經過預先平衡的刀具產生新的不平衡，因此，開發一種能使整個刀具一刀柄一主軸系統在驅動狀態下實現平衡的在線平衡系統極具實用價值，利用該系統甚至有可能直接使用未經預先平衡的刀具組件進行加工。
　　美國Baladyne公司開發的在線平衡系統的結構與工作原理如下：該系統由傳感器、控制器、配重盤、線圈等組成。主軸上帶有兩個電磁驅動的配重盤，通過調節兩個配重盤的位置，可使產生的不平衡力與需平衡的刀具系統的不平衡量相互抵消，達到在線平衡的目的。該系統經過2.5秒鐘的“學習”后，集成在主軸中的平衡裝置采集到整個系統的動態特性，再經過1秒鐘的自動調節后即可達到平衡。目前該系統可適用于60000r/min的轉速條件。Baladyne公司稱，如預先設計的配重盤能力足夠，可使用未經預先平衡的刀具實現完全的在線平衡。
　　美國Kennametal公司開發的在線平衡系統由平衡刀柄、加速度傳感器、控制器和調節器組成，其特點是將電磁驅動的配重盤配置在刀柄內，通過自動調節刀柄配重盤的相對位置，系統可對主軸和工具系統進行整體平衡，而不必使用特殊主軸。
　　6.結語
　　目前，高速旋轉刀具已在我國一些工業部門中推廣應用，高速切削技術的研究開發也成為我國制造業尤其是機床工具行業面臨的緊迫任務。在2001年第七屆北京國際機床展覽會上，我國已有機床制造廠展出了主軸轉速達10000～15000r/min的加工中心機床，工具行業通過技術改造也初步具備了開發高速切削刀具的能力，這都為高速切削技術在我國的推廣應用創造了必要條件。與高速切削技術配套的刀具動平衡技術已成為機床工具行業共同關心的技術課題，加快該技術的研究開發工作將有助于高速切削技術的發展與應用。