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高速旋转刀具系统动平衡技术
刀具系统(刀刃-刀柄-刀盘-夹紧装置)不平衡会缩短刀具寿命,增加停机时间,并会增大工件表面的粗糙度,降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命,高速刀具系统的平衡更为重要。一般说来,对于小型刀具,平衡修正量只有百分之几克;对于精密型刀具,采用静平衡即可;对于悬伸量较大的刀具则必须进行动平衡;对于高速切削刀具进行平衡时,首先对刀具、夹头、主轴组件等各个元件单独进行静平衡,然后对刀具与夹头组合体进行静平衡,最后刀具连同主轴一起进行动平衡。
1高速切削刀具系统动平衡的理论分析及计算
根据ISO1940标准,主轴转速高于8000r/min为高速切削加工。刀具系统旋转时动不平衡表现在不平衡质量绕旋转轴回转形成了惯性离心力。引起高速切削刀具不平衡的主要因素有:刀具的平衡极限和残余不平衡度、刀体结构不平衡、刀具不对称、刀具及夹头的安装(如单刃镗刀)不对称等图1为简化的刀具系统。
刀具不平衡引起的离心力对工艺系统的负作用很大使刀具系统寿命减少当主轴转速进一步提高时惯性离心力将以平方倍数增大。它会引起刀具系统的颤振使主轴轴承受到方向不断变化的径向力作用而加速磨损还会引起机床振动降低加工精度甚至可能造成事故。
引起高速旋转刀具系统动不平衡的原因
刀具系统高速旋转时产生不平衡的因素很多设计、制造、装配和工作过程中各个环节上存在的误差都有可能使刀具系统产生动不平衡。
(1)设计原因,设计时采用了非对称结构包括单刃刀头(片)、非对称刀体刀杆、刀柄和夹紧、锁紧装置等。刀具系统中材质不均匀在刀具的冶炼结晶、热加工过程中出现金相缺陷(夹砂、裂纹、气孔焊接刀具结构中焊缝不均匀等)从而使刀具单位质量不均匀引起不平衡。
(2)制造原因,刀具系统组成零件的尺寸误差、形位误差,特别是联接螺纹尺寸精度、键槽对轴中心线的对称度超差、刀杆两处铣偏不对称、刀片槽深不一致、刀夹三处弹性槽不对称等。
(3)装配原因,刀具系统组成零件组合后相互间的尺寸配合误差、累积误差等。常见锁紧装置中螺母在每一次锁紧和旋松时位置会发生改变特别是刀柄和主轴的配合锥度尺寸误差易造成动不平衡。
(4)工作状态,主轴高速运转的时候由于主轴孔的膨胀量大于刀柄轴量而引起刀具的定位精度和连接刚度下降振动增加刀具及夹紧机构质心的偏离导致刀尖的跳动甚至发生连接部分的咬合现象(如图2)从而影响主轴的动平衡。单刃切削时刀具系统刚性不足刀杆偏斜产生动不平衡铣削斜面和镗削非垂直孔初始进刀时易使刀杆偏斜产生动不平衡。刀具系统工作一定时间后,由于不均匀的磨损以及主轴—刀具连结面上杂物颗粒的污染、冷却润滑液刀具在主轴上的重复安装精度也会影响刀具的旋转不平衡效果。
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