刀柄和刀具的平衡

一般來說，對于主軸轉速較低的機床，平衡的重要性相對較小，而高速切削機床的平衡問題則重要得多。即使使用高速機床，許多車間也可以采用預平衡刀柄和預平衡刀具來解決平衡問題。不過，對于非常精密和轉速很高的加工，仍然需要對裝配好的刀柄和刀具進行平衡操作。

    機床用戶經常聽說，必須對自己使用的刀柄進行平衡，但他們不清楚這種說法是否正確。如果不對刀柄進行平衡，會損壞機床或工件嗎？正確的問題不是“應該對刀具和刀柄進行平衡嗎？”而是“何時應對刀具和刀柄進行平衡？”

    讓我們首先解釋一下不平衡性。在機床主軸中，存在許多回轉部件，包括主軸本身，如果電動機沒有與主軸集成到一起，就還包括電動機的轉子、齒輪或滑輪等。在銑削加工中，則有刀柄、刀具、拉桿(拉釘)、夾頭和一組貝勒維爾墊圈。在車削加工中，工件也是回轉部件，可能還包括夾持裝置(如卡盤爪)。

    所有這些部件都是人類制造和裝配的，因此并非盡善盡美。裝配后的回轉體的質量中心與回轉中心(由支撐回轉體的主軸軸承所確定)并不是同一個中心。產生的凈影響就相當于附加了一個偏離主軸中心的質量一樣。不平衡質量的大小以及它與回轉中心的距離發揮著同樣的作用，因此通常將它們歸類到一起。不平衡量可用克×毫米(gmm)或盎司×英寸(oz.in.)來表示。

    在大多數情況下，用戶都不具備調整主軸平衡的能力。如果有這種能力，則需要同時調整刀柄和主軸的平衡。允許的不平衡量U用下式計算：

U(gmm)=(G×9,549×W)/n

式中，G為平衡等級，9,549是與單位一致的參數，W為回轉物體的質量(公斤)，n為主軸轉速(r/min)。

    平衡等級G取決于加工要求。例如，一般來說，通用機床的平衡等級為G6.3，高速加工機床為G2.5，精密加工機床為G1.0。允許的不平衡量U主要取決于被平衡物體的質量，對于刀具、刀具與刀柄，以及裝配好的整個主軸，U值的計算結果都不相同。

    對于不同的加工機床而言，一個更重要的考慮因素是：由回轉不平衡量產生的力是否占到了由切削加工產生的力中可觀的一部分。所有的力，無論是切削力還是不平衡力，都必須由軸承以及刀具與主軸之間的聯接環節來承受。在粗加工中，切削力可能會高達幾百牛頓，幾牛頓的不平衡力就無關緊要。但是，在精加工中，切削力僅為幾分之一牛頓，同樣的不平衡力就是一個大問題。因此，不平衡力應該如何計算呢？不平衡力F的計算公式為：

F=meω2

式中，m為不平衡質量，e是偏心量(不平衡質量到回轉中心的距離)，ω為主軸轉速。

    不平衡力F隨著主軸轉速ω的平方而增大。如果主軸轉速提高一倍，由回轉不平衡量產生的不平衡力就會增大4倍。例如，刀具和刀柄的不平衡量為5gmm，當主軸轉速為5,000r/min時，所產生的不平衡力為1.37牛頓。當主軸轉速為40,000r/min時，同樣的刀具和刀柄產生的不平衡力為87.7牛頓。

    通過平衡減小不平衡力可獲益良多，但平衡操作也需要付出成本。車間或者需要購買一臺平衡機，或者需要為外協平衡服務付費。可平衡刀柄上通常有一個或多個配重環，通過調整其位置，就可以改變平衡狀態。與普通刀柄相比，這種刀柄的價格更貴，并且刀柄上需要有額外的長度來容納配重環，而增加刀柄的長度會減小其剛度，通常還會降低其可達到的金屬去除率。

    確定是否需要對刀柄進行平衡的一種有效策略是將不平衡力與切削力進行比較。如果不平衡力達到切削力的5%以上，就值得改進其平衡狀態。一般來說，對于主軸轉速較低的機床，平衡的重要性相對較小，而高速切削機床的平衡問題則重要得多。即使使用高速機床，許多車間也可以采用預平衡刀柄和預平衡刀具來解決平衡問題。不過，對于非常精密和轉速很高的加工，仍然需要對裝配好的刀柄和刀具進行平衡操作。