高速加工环境下的刀具动平衡技术的研究与应用.doc

高速加工环境下的刀具动平衡技术的研究与应用 随着我国航天制造业的飞速发展，对产品外形与精度的要求愈发苛刻，同时“优质、高效、节能、低耗和环保”的新观念也逐渐深入人心。传统的机床加工模式已经无法适应产业发展的需要，高速加工（HSM）正成为一种绿色、高效的加工模式得到广泛应用。高速加工的优点众多，但前提是必须有相应的技术支撑，否则轻则缩短刀具寿命，影响产品质量，重则发生极为恶劣的安全生产事故。研究表明，随着主轴转速的增加，主轴、刀具系统产生的惯性离心力将呈平方级数增长，而惯性离心力使刀具寿命降低，使主轴轴承受到方向不断变化的径向力的作用而加速磨损刀具，还会引起机床振动，导致加工精度降低，甚至可能造成重大的事故和伤害。由此，刀具动平衡技术成为支撑高速加工顺利进行的关键技术，同时也是推行高速加工的必要前提。 刀具动平衡技术的理论研究 1 刀具动平衡与动平衡失稳 刀具动平衡是一个动态指标，它描述了回转主轴、刀具系统动平衡优劣程度。工程上实际并不存在绝对的动平衡，所谓的动平衡更多的是指该刀具系统回转时的平衡程度。ISO1940“刚性转子的动平衡质量要求”标准规定[1], 一个转子的不平衡量（或称残留不平衡量）用U表示（单位为g·mm），U值可在平衡机上测得；某一转子允许的不平衡量（或称允许残留不平衡量用刀具动平衡技术的车间级应用U per表示。从工程实施的角度考虑，转子允许的残留不平衡量与转子的质量有关，即：质量越大所允许的残留不平衡量也越大。单位质量残留不平衡量用e表示，即e=U/m（（g·mm）/kg），因此有eper=U per/m。U和e都是转子相对于给定回转轴所具有的准动态特性，可定量表示转子的不平衡程度。 事实上，一个转子动平衡的优劣还与其使用时的转速有关。当转子高速旋转时，其动平衡会变得较为微妙：一旦转速到达一个临界值时，只需一个极为微小的扰动力就会打破转子固有的平衡状态，使转子产生很大的变形甚至破坏，这便是动平衡失稳。动平衡失稳现象的根本原因是转子回转过程中产生的惯性离心力。一般来说，相对于旋转刀柄而言，主轴以及接口的刚度要大得多，因此刀柄可以简化为悬臂梁模型，当刀柄以某一转速转动时, 若在悬臂端点处作用一个外力，该刀柄将产生变形，转轴因变形处于动不平衡状态，由此产生的离心力将使轴进一步产生变形，最终导致转子动平衡失稳。 假设刀具在离旋转中心r（mm）处有等效的不平衡质量m（g），刀具不平衡质量与其偏心的乘积定义（m·r）为刀具不平衡量U（单位：g·mm）。当刀具旋转速度为n（r/min）时, 便产生惯性离心力fc[2]： fc=19mr(πn)2×10#8722;8。（1） 若刀具质量为15kg，在实际使用过程中，即使仅出现5μm的偏心距，但在转速为20000r/min的情况下，也会产生330N以上的惯性离心力。而当转速增加到30000r/min时，产生的惯性离心力将剧增到750N（图1）。 2 刀具动平衡失稳的主要原因 刀具动平衡失稳的主要因素见图2。 2.1. 刀具不平衡 （1）金相缺陷导致刀具材质不均，从而引发不平衡； （2）刀具制造尺寸精度偏差导致不平衡； （3）非对称式刀具、刀柄以及连接件导致不平衡； （4）刀具使用时产生偏移导致不平衡； （5）非整体式刀具系统装配时的累积误差导致不平衡。 2.2 主轴不平衡 （1）主轴装配过程中产生的不平衡; （2）精度差产生的不平衡; （3）非均匀磨损引起的不平衡。nextpage 2.3. 其他因素 （1） 刀具装夹误差导致的不平衡。 （2） 刀柄弹簧组件发生偏移导致的不平衡。 （3） 刀柄与主轴接合面上颗粒物污染导致不平衡。 （4） 冷却润滑液导致不平衡。 （5） 耦合不平衡。 目前几乎所有的高速切削机床主轴在出厂前都经过严格的动平衡检测校对，因此产生动平衡失稳的主要因素是刀具系统不平衡引起的。 3 刀具动平衡等级的评判 刀具动平衡是一个动态的概念，优劣程度该如何判定，这一点ISO1940标准有着非常明确的规定。动平衡质量等级G（单位mm/s）是指eper与角速度ω的乘积。例如，某个刀具系统（含刀柄）平衡等级G79，表示该转子的e值与使用时ω值的乘积应小于或等于79。为了确定高速旋转刀具统一的合理平衡质量等级G，由德国政府和机器制造商协会（VDMA）所属精密工具专业委员会牵头成立了工作组，并提出了“高速旋转刀具系统平衡要求”的指导性规范（FMK-Richtlinie）[3]。 该规范对刀具平衡质量等级的制定原则以及具体确定方法做了严格的描述（图3），总结起来有5点： （1）刀具平衡质量等级的要求应充分考虑技术性和经济性。 （2）以主轴轴承动态载荷的大小作为刀具平衡质量的评价尺度，并规定以G16作为统一的上限值。 （3）确定刀具系统合理不平衡量的下限值为刀具系统安装在机床