刀柄和刀具的平衡

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

    機(jī)床用戶經(jīng)常聽說，必須對自己使用的刀柄進(jìn)行平衡，但他們不清楚這種說法是否正確。如果不對刀柄進(jìn)行平衡，會(huì)損壞機(jī)床或工件嗎？正確的問題不是“應(yīng)該對刀具和刀柄進(jìn)行平衡嗎？”而是“何時(shí)應(yīng)對刀具和刀柄進(jìn)行平衡？”

    讓我們首先解釋一下不平衡性。在機(jī)床主軸中，存在許多回轉(zhuǎn)部件，包括主軸本身，如果電動(dòng)機(jī)沒有與主軸集成到一起，就還包括電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)體的質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心(由支撐回轉(zhuǎn)體的主軸軸承所確定)并不是同一個(gè)中心。產(chǎn)生的凈影響就相當(dāng)于附加了一個(gè)偏離主軸中心的質(zhì)量一樣。不平衡質(zhì)量的大小以及它與回轉(zhuǎn)中心的距離發(fā)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(shù)情況下，用戶都不具備調(diào)整主軸平衡的能力。如果有這種能力，則需要同時(shí)調(diào)整刀柄和主軸的平衡。允許的不平衡量U用下式計(jì)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(shù)，W為回轉(zhuǎn)物體的質(zhì)量(公斤)，n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

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

    對于不同的加工機(jī)床而言，一個(gè)更重要的考慮因素是：由回轉(zhuǎn)不平衡量產(chǎn)生的力是否占到了由切削加工產(chǎn)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(lián)接環(huán)節(jié)來承受。在粗加工中，切削力可能會(huì)高達(dá)幾百牛頓，幾牛頓的不平衡力就無關(guān)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(gè)大問題。因此，不平衡力應(yīng)該如何計(jì)算呢？不平衡力F的計(jì)算公式為：

F=meω2

式中，m為不平衡質(zhì)量，e是偏心量(不平衡質(zhì)量到回轉(zhuǎn)中心的距離)，ω為主軸轉(zhuǎn)速。

    不平衡力F隨著主軸轉(zhuǎn)速ω的平方而增大。如果主軸轉(zhuǎn)速提高一倍，由回轉(zhuǎn)不平衡量產(chǎn)生的不平衡力就會(huì)增大4倍。例如，刀具和刀柄的不平衡量為5gmm，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為5,000r/min時(shí)，所產(chǎn)生的不平衡力為1.37牛頓。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為40,000r/min時(shí)，同樣的刀具和刀柄產(chǎn)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(tái)平衡機(jī)，或者需要為外協(xié)平衡服務(wù)付費(fèi)。可平衡刀柄上通常有一個(gè)或多個(gè)配重環(huán)，通過調(diào)整其位置，就可以改變平衡狀態(tài)。與普通刀柄相比，這種刀柄的價(jià)格更貴，并且刀柄上需要有額外的長度來容納配重環(huán)，而增加刀柄的長度會(huì)減小其剛度，通常還會(huì)降低其可達(dá)到的金屬去除率。

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