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注意!如何分析刀具系统的动平衡,避免动平衡失稳带来严重的安全和质量隐患?

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发表于 2017-11-14 13:29:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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,尤其对于高速刀具系统的平衡显得更为重要。

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。

高速切削刀具系统动平衡的理论分析及计算

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。

根据 ISO1940“刚性转子的动平衡质量要求”标准规定,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,下图为简化的刀具系统。

设刀具在距离旋转中心e(mm) 处存在等效的不平衡质量m(g) 则刀具不平衡U( g·mm ) 可定义为刀具不平衡质量与其偏心距的乘积,即u=m×e。
设G为反映刀具平衡量与旋转速度n(r/min) 之间关系的参数则G=ω×e=πn/30×μ/m=πun/30m(ω-角速度)

在高速旋转下刀具系统不平衡示意图产生的惯性离心力Fe(N) 为

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)。

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。


2 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。

总结

刀具系统的动平衡失稳是高速加工的固有特性,会给加工带来严重的安全隐患和质量隐患,长期在动平衡失稳的状态下进行高速加工会造成严重的后果。

(1) 机床主轴因频率性剧烈振动会使其寿命将大大降低;

(2) 过大惯性离心力将使得刀具系统加速磨损;

(3) 由于机床主轴的振动和刀具磨损,零件的尺寸精度和表面质量将无法保证,甚至报废;

(4)当主轴-刀具系统无法承受巨大的惯性离心力时将发生严工条件下其后果不可预计。

因此刀具动平衡技术在车间的应用不仅是保证零件质量的需要,同时也可以延长机床寿命、减少刀具磨损,更是保证生产安全的必要手段。


概念小贴士
何谓「不平衡
A. 静不平衡(Static unbalance)
转子的重心偏离于轴心线(中心线)的位置。在固定不动的转子上,这是很容易就可以被测得出来的。原因是在这位置上面,离心力是垂直到轴线上的。在一个稳定可靠的环境中,我们可以选择任何一个平面轻易地来做为消除这一个不平衡的平面。但是这个静平衡力有可能变成其他的动不平衡力(couple unbalance)。
B.力偶不平衡(Couple unbalance)
转子的重心线延著轴线的位置产生。这种力只能在旋转中的转子中测得。因为它产生于旋转期间倾斜的一瞬间,在无侧向力时,这两个不平衡质量所产生的离心力能相互抵消。
C. 动不平衡(Dynamic unbalance)
是静不平衡与力偶不平衡的结合。这是机械主轴与刀把刀具配合转动后所会产生的情形。

何谓「平衡
所谓平衡就是使用方法将刀把刀具配合转动后所会产生的不对称分佈的质量弥补过来。如:增加配重到指定的位置、将多于的重量去除、或用外在的配件调整配重到指定的位置。
D. 单平面平衡(静态平衡)
弥补不平衡在静态的部份,但是剩馀动不平衡的力偶不平衡却无法消除。
E.双平面平衡(动态平衡)
完全的消除所有的不平衡(包括静不平衡与动不平衡)。




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