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刀夹平衡策略 |
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作者：James Benes 来源：美国American Machinist 杂志 |
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由于大多数机械师不理解刀夹平衡的原理，他们通常花费不必要的时间和资金来试图实现较高 的平衡水准。各种应用场合所需要的刀夹平衡水准应该受操作要求支配。
低速运行时可以承受的刀夹失衡量要比高速运行时高多。
对于某特定应用场合的最佳平衡，需要理解以下几个方面：
◆失衡的影响以及什么时候这种影响很重要；
◆何时要采用最佳控制策略；
◆不同的刀夹配置随着速度上升其性能如何。
指令刀具系统公司（Command Tooling Systems）(www.commandtool.com)的工程主管Dennis King说：“刀夹是在生产完成后通过测量和必要的质量修正而平衡的。可以平衡的刀夹应该进行硬平衡（去除材料）以使其达到良好的平衡性能。然后，应该用可平衡特征来修正预置过程的变量——如果它们对操作非常重要的话。”刀夹或主轴平衡有两个标准，即ISO 1940及ANSI S2.19，其中每个标准都是由一个委员会将平衡控制细分为三类而创立的：
◆振动控制
◆力控制
◆零件生产能力
在这三个方法中，振动控制最经常使用。
平衡策略
制造商们通常用G数（单位为毫米/秒，mm/sec）来定义失衡度。其它描述以一定转速自转的零件中发生的振动的方式有加速度、速度和峰-峰位移等。ANSI S2.19标准对单平面和双平面平衡及对在采用振动法（通常称作G数规范）时如何计算可接受的失衡量介绍得非常详细。G数是振动阈值极限。G1.0对应于1.0 mm/s振动的自由转动。由于高公差磨削操作涉及到稳定的工件和主轴，G1.0通常是针对磨削主轴规定的。 
HSK E和F刀夹是对称的，因此，从一开始就是平衡的。
磨削通常涉及成千上万次工件交互作用而产生的恒定力（中断时除外），这种交互作用使操作力非常均匀。机加工操作的负荷通常比磨削操作的高，并且每次加工操作都有自己的频率和振幅。刀齿冲击形成的振动要比磨削中产生的高得多，并且这些振动限制了非常有限的平衡的有效性。
指令刀具系统公司的PE，William Keefe解释说：“跳动变化会影响振动，通常会消除来自平衡的增益。机加工比磨削允许更高的振动，原因是机加工公差一般比较大，而总体操作不会从更严格的平衡公差受益。因为这些原因，机床主轴和机床零件通常用G2.5及G6.3的振动级规定。”
G数通常被指定给一个总体组件。机床主轴组件可能在操作中拥有G6.3的总体设计平衡水准，而主轴和刀夹却可能平衡到G2.5级。此外，主轴的重量和圆柱形构造使它可以很容易平衡到G2.5、G1.0 甚至G0.4级。
主轴的主要旋转质量可以在中心之间或通过中心方便地加以平衡，形成很高的分辨率及重复精度。一个组件的所有主要子部件都具有相同的振动水准要求。
由于刀夹的定位面是一个锥体，因此刀夹平衡比较困难。刀夹的轻重量，连同锥体/平衡机构，使得在主轴转速较高的情况下将刀夹平衡到G 1.0、G2.5或G6.3很困难。
理想情况下，表面粗糙度是由进给速度、切深及主轴转速确定的。但是，表面粗糙度还受本底振动影响。来自良好切割的振动应该是主轴转速（rpm）的倍数。在主轴频率下产生的力或其倍数，包括失衡力以及每个刀齿削掉切屑时产生的力。
失衡力在组件中的作用可能像额外跳动。指令刀具系统公司估计，因平衡良好的刀具增加的跳动或者动态跳动为25 μ英寸~50 μ英寸 (0. 64 μm~1.3 μm)。在平衡至G12的刀夹以15,000r/min的转速转动时，这个额外的跳动可能高达0.00016英寸(4.1 μm)。在一家大型制造厂进行的一系列切削试验发现，平衡至G2.5和G12的刀夹加工产生的表面粗糙度没有明显的差异。
但是，这只是一个试验，如果从这些结果概括出一般性结论，那么就可能引起误导。当切屑负荷很小时，上升的G级其效应可能就很明显了。
振动级法是考察平衡时约束性最高的方法。通常，由于缺乏理解，或者因想补偿没有实施或以不正确方式实施的平衡这种愿望，会指定不必要的具有约束性的平衡级。
力控制，另一种处理平衡的方法，要求理解加工力和平衡力，并管理总体水准以防主轴损坏。随着转速上升，平衡变得更加重要，因为因失衡而产生的力是速度平方的函数。
在许多低速应用中，不需要进行任何类型的平衡操作。在主轴转速较低时，平衡不重要，因为平衡引发的力很低。
但是，在高速下，振动法不实用，因为力方程产生非常低的允许剩余失衡量。
尽管振动法在某些情况下可能夸大平衡的重要性，但是力控制法却忽略了这样一个事实，那就是，尽管失衡力可能不会损坏机床，但加工出来的零件可能会不合格。
尽管特定的失衡可能不会产生出一个高得足以损坏主轴的力，但是如果刀具不止一个切削刃，那么失衡力矢量的功能会像跳动一样破坏工件表面粗糙度。这是因为失衡力随着刀具旋转，并且始终会相对于主轴面指向相同方位。即使很轻微的失衡，如果它旋转足够快，也可能形成100磅（445 N）的失衡力，这么大的力足以将主轴中心线拉成一个圆，这个圆的半径等于主轴弹性常数乘以因失衡而产生的力。这种主轴中心线跳动是因刀夹失衡造成的。
King说：“振动法比较保守，保证可以解决平衡问题。但是，在某些情况下，坚持这种方法会不经济或实际上不可能。在这些情况下，应该对产生的力进行评价，如果足够低，那么就可以通过机床制造商及刀夹供应商的协助而启动一个尝试过程，以确定是否可以产生紧公差。当刀夹以高出30,000 r/min的速度转动时，无法达到G2.5。由于刀夹抓取和定位中所涉及的机构的原因，任何时候试图实现低于1 g-mm的失衡量都是一种浪费。”
某些刀夹柄部和端部从平衡方面看要优于其它产品。本文中，严格从平衡方面考虑刀夹。
刀夹平衡要考虑的问题
在考虑采用哪种刀夹/刀具接口时，精度和抓取强度最重要。在许多操作中，可以有多种选择，这时候，平衡可能是一个决定性因素。
尽管摩擦性接口诸如莫氏或Jacobs锥度是对称的，但不能在高速下使用，因此不考虑。Weldon型立铣刀刀夹可以加以平衡，但是它们通常因为跳动而性能不良，并且因止动螺钉而具有结构上较弱的90°构造。
这两个问题限制了立铣刀刀夹的性能，尽管它可以很好地进行平衡，并且如果采用一致性比较好的刀具，它们会实现很好的平衡重复性。
ANSI型或CT型刀柄具有最大的未修正平衡。它们带有偏置驱动键来实现切削刃之间的同步，对于一把40锥度的刀夹，偏置驱动键可能引发90 g-mm，而对50锥度的刀夹，则可能引发400 g-mm的失衡。
因恒定失衡量造成的力随转速上升的曲线图
此外，这些刀柄还具有一个不带导向的保持旋钮，在任何方向都可能导致5 g-mm ~ 25 g-mm的失衡。其它刀夹标准性能较好，并且对保持旋钮进行导向可以实现更高的平衡重复性。
DIN69871标准和MAS 403 (BT)标准均类似于CT，但是旋钮带有导向性公制螺纹。平衡方面的最佳设计是BT法兰刀夹，它们不带偏置驱动键，并且结构完全对称。
E和F HSK刀夹高速版中没有非对称结构，因此它们自始至终都处于完美的平衡状态。但是，由于A型HSK刀夹具有很难在两个平面内修正的固有失衡性，从平衡方面看，它们比ANSI型刀夹更差。
套筒铣刀刀夹可以在组装后加以平衡，但是通常会因导向块上允许的公差而引发误差。此外，某些刀具不对称。对称并不等同于偶数数量。具有三个和五个刀齿的刀具可以对称，而一把四齿刀具却不一定平衡。
大多数可转位刀具具有最高的额定转速，尽管刀具可以针对更高速度平衡，但是却不得以超出刀具厂家规定的速度运行。铣刀夹头通常在高速和高功率加工中使用。尽管它们具有优异的精度和抓取强度，但是它们的平衡重复性却很差。如果运动元素较多，通常平衡重复性就比较低——尽管情况并非始终如此。液压夹头重复性和精度可以非常高。
动态密封装置，诸如活塞等，始终产生微泄漏。使用足够长时间后，这种泄漏会大大限制性能。
液压夹头还具有一个薄薄的限制其高速铣削有效性的弹性膜。在钻削操作中（通常以低速进行），液压夹头始终被认为是一个良好的应用。
弹簧夹头刀夹对于高速加工提供足够高的抓取力。但是，在高功率加工中，该接合体可能发生滑移——特别是在低速时，因为力通常高于高速加工中产生的力。
DR弹簧夹头具有很精确的节距，带有一个60度V形结构，可以防止速度上升时松动。经验表明，端部直径越小，刀夹运行速度就可以越高。弹簧夹头结合体和弹簧夹头是对称的，具有非常好的平衡，并且一起运行时性能非常好。
用于抽取弹簧夹头的接头需要具有经过平衡或对称的抽取装置。
过盈配合刀夹不带移动元件，并且是最好的高速连接装置。它们的单体设计可以完美地定位刀具，并且是对称的。主轴速度高于50000 r/min时产生的离心力是唯一在操作中松开刀夹抓取力的因素。尽管BT40过盈配合刀夹可能实现了完美对称，并且因此对于高速加工从设计上实现了平衡状态，但只有在去除了制造变化性后，它才可以以 15,000 r/min的速度运行。
提示：用户必须要能够测量失衡量，以确保刀夹经过了适当平衡。过盈配合刀夹或弹簧夹头通常只需要在出厂前进行一次硬平衡。除非主轴转速超出约30,000 r/min，否则经过平衡处理的刀夹能充分满足各种平衡要求。
信息来源：《国际金属加工商情》(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(8/14/2008) |
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