1.引言
　　從二十世紀(jì)八十年代開始，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展，金屬切削加工進(jìn)入了以高速切削為代表的發(fā)展階段。由于高速切削技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，目前已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的汽車、飛機(jī)、模具等工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，并顯示出在二十一世紀(jì)現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展中具有的重要地位和廣闊應(yīng)用前景。
　　“高速切削”目前還是一個發(fā)展中的相對概念。對于不同的工件材料和不同的加工工序，要求達(dá)到的切削速度并不相同，通常可將切削速度(或進(jìn)給速度)較普通切削提高5～1O倍歸入高速切削范疇。
　　高速切削的實(shí)現(xiàn)需要建立在機(jī)床、刀具等相關(guān)領(lǐng)域最新技術(shù)成果的基礎(chǔ)上。目前，高速切削主要應(yīng)用于在加工中心機(jī)床上采用銑刀、鏜刀、孔加工刀具等旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行的切削加工，所用加工中心機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常在10000r/min以上。當(dāng)加工中心機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)10000r/min以上時，高速旋轉(zhuǎn)的刀具(包括夾持刀柄)存在的不平衡量所產(chǎn)生的離心力將對主軸軸承、機(jī)床部件等施加周期性載荷，從而引起振動，這將對主軸軸承、刀具壽命和加工質(zhì)量造成不利影響。因此，高速切削加工對旋轉(zhuǎn)刀具提出了嚴(yán)格的動平衡要求。研究高速旋轉(zhuǎn)刀具的動平衡技術(shù)、有效控制刀具不平衡量是研制開發(fā)和推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)的必要前提和配套技術(shù)。德國的切削行業(yè)對高速旋轉(zhuǎn)刀具動平衡技術(shù)做了大量研究開發(fā)工作，本文結(jié)合有關(guān)報導(dǎo)對高速切削刀具動平衡技術(shù)的研究現(xiàn)狀及一些相關(guān)問題作一介紹。
　　2．動平衡的一般概念
　　旋轉(zhuǎn)刀具的動平衡原理與一般旋轉(zhuǎn)零件的動平衡原理相似。首先，刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)盡可能對稱；其次，在需要對刀具進(jìn)行平衡時，可根據(jù)測出的不平衡量采用刀柄去重或調(diào)節(jié)配重等方法實(shí)現(xiàn)平衡。由于刀具品種不同，具體采用的平衡方法也不相同。法國EPB公司特制的平衡刀具(柄)產(chǎn)品內(nèi)裝了平衡配重機(jī)構(gòu)，并設(shè)置了配重刻度，通過轉(zhuǎn)動配重環(huán)，調(diào)整其相對位置，即可補(bǔ)償因刀具結(jié)構(gòu)不對稱或調(diào)刀引起的不平衡量；德國Walter公司的高速面銑刀則采用螺釘調(diào)節(jié)不平衡量。
　　對于普通的刀具或工具系統(tǒng)，可由刀具制造商或用戶借助于平衡機(jī)進(jìn)行平衡。但是，如何科學(xué)、定量地規(guī)定和評價刀具的平衡質(zhì)量以及在不同加工條件下允許的刀具不平衡量，是刀具制造商和用戶關(guān)心的首要問題。為此，有必要介紹一下機(jī)械轉(zhuǎn)子動平衡的一般概念。
　　IS0 1940《剛性轉(zhuǎn)子的動平衡質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一個轉(zhuǎn)子的不平衡量(或稱殘留不平衡量)用U表示(單位為gmm)，U值可在平衡機(jī)上測得；某一轉(zhuǎn)子允許的不平衡量(或稱允許殘留不平衡量)用Uper表示。從實(shí)際平衡效果考慮，通常轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m(kg)越大，其允許殘留不平衡量也越大。為對轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量進(jìn)行相對比較，可用單位質(zhì)量殘留不平衡量e表示，即e=U/m(gmm/kg)，相應(yīng)地即有eper=Uper/m。U和e是轉(zhuǎn)子本身對于給定回轉(zhuǎn)軸所具有的靜態(tài)(或稱準(zhǔn)動態(tài))特性，可定量表示轉(zhuǎn)子的不平衡程度。從準(zhǔn)動態(tài)的角度看，一個用U、e和m值表示其靜態(tài)特性的轉(zhuǎn)子完全等效于一個質(zhì)量為m(kg)、且其重心與回轉(zhuǎn)中心的偏心距為e(μm)的不平衡轉(zhuǎn)子，而U值則為轉(zhuǎn)子質(zhì)量m(kg)與偏心距e(μm)的乘積。因此，也可將e稱為殘留偏心量，這是e的一個很有用的物理含義。
　　實(shí)際上，一個轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量的優(yōu)劣是一個動態(tài)概念，它與使用的轉(zhuǎn)速有關(guān)。如ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)給出的平衡質(zhì)量等級圖上一組離散的標(biāo)有G值的45°斜線表示不同的平衡質(zhì)量等級，其數(shù)值為eper(gmm／kg)與角速度ω(rad／s)的乘積(單位為mm／s)，用于表示一個轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量的優(yōu)劣。例如，某個轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量等級G＝6.3，表示該轉(zhuǎn)子的e值與使用時ω值的乘積應(yīng)小于或等于6.3。使用時，可根據(jù)要求的平衡質(zhì)量等級G及轉(zhuǎn)子可能使用的最大轉(zhuǎn)速，從圖上查出轉(zhuǎn)子允許的eper值，再乘以轉(zhuǎn)子質(zhì)量，即可求出該轉(zhuǎn)子允許的不平衡量 。
　　接下來的問題是如何確定高速旋轉(zhuǎn)刀具的合理平衡質(zhì)量等級G，從而得出在最高使用轉(zhuǎn)速下要求的Uper值。
　　3．合理平衡質(zhì)量等級的確定
　　為了確定高速旋轉(zhuǎn)刀具統(tǒng)一的合理平衡質(zhì)量等級G，由德國政府和機(jī)器制造商協(xié)會(VDMA)所屬精密工具專業(yè)委員會牽頭成立了工作組，將刀具動平衡技術(shù)作為一個“要求公開”的項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究組的成員來自相關(guān)行業(yè)及技術(shù)領(lǐng)域，如刀具、機(jī)床和平衡機(jī)制造行業(yè)、用戶行業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)等。根據(jù)他們的研究結(jié)果，提出了“高速旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)平衡要求”的指導(dǎo)性規(guī)范(FMK?Richtlinie)。
　　該規(guī)范有三個要點(diǎn)：
　　(1)認(rèn)為對刀具平衡質(zhì)量等級的要求是由上限值和下限值界定的一個范圍，大于上限值時刀具的不平衡量將對加工帶來負(fù)面影響，而小于下限值則表明不平衡量要求過嚴(yán)，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上既不合理且無必要。
　　(2)以主軸軸承動態(tài)載荷的大小作為刀具平衡質(zhì)量的評價尺度，并規(guī)定以G16作為統(tǒng)一的上限值。由于切削加工條件以及影響加工效果因素的多樣性，以加工效果的好壞作為刀具平衡的評價尺度并不能普遍適用，而因刀具不平衡引起的主軸軸承動態(tài)載荷的大小則是與不平衡量直接相關(guān)的參數(shù)，因此提出以主軸軸承動態(tài)載荷的大小作為制定統(tǒng)一平衡要求的依據(jù)。
　　根據(jù)VDI加56(DIN／ISO10816)“機(jī)械振動評定標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，可將使主軸軸承產(chǎn)生最大振動速度(1～2.8mm／s)的不平衡量作為刀具系統(tǒng)允許不平衡量的上限值。當(dāng)以lmm/s或2.8mm/s的振動速度作為評價尺度時，不同重量的HSK一63刀柄在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所允許的平衡質(zhì)量等級G的上限值(三條曲線b)表明，G的上限值與刀具的質(zhì)量、轉(zhuǎn)速和選定的機(jī)床主軸振動速度有關(guān)，且分散在一個較大范圍內(nèi)。工作組選取振動速度1.2mm/S、2mm/s、轉(zhuǎn)速范圍10000～40000r/min、重量0.5～10kg的不同規(guī)格HSK刀柄，計算出27個G的上限值，其中最大G值達(dá)201，最小G值僅為9。
　　綜合考慮高速旋轉(zhuǎn)刀具的安全要求和使用的方便性，工作組提出一個折衷的刀具系統(tǒng)平衡等級要求，即選取G16作為統(tǒng)一的上限值，這樣除無法滿足一個G9值外，可滿足計算所得全部G值覆蓋的加工條件范圍(即轉(zhuǎn)速為l0000～40000r/min，刀具系統(tǒng)重量為0.5～12kg，振動速度為2mm/s)。
　　(3)確定刀具系統(tǒng)合理不平衡量的下限值為刀具系統(tǒng)安裝在機(jī)床主軸上時存在的偏心量(單位為)，根據(jù)現(xiàn)有機(jī)床制造水平，該值通常為2～5μm(根據(jù)每臺機(jī)床的具體情況而略有不同)。以安裝偏心量作為下限值，表明將刀具系統(tǒng)的允許殘留偏心量eper(μm)平衡到小于2～5μm并無意義。當(dāng)轉(zhuǎn)速在40000r/min以下時，上限值G16所對應(yīng)的允許殘留偏心量eper值(μm)(或單位重量允許殘留不平衡量，gmm／kg)均大于刀具系統(tǒng)的換刀重復(fù)定位精度值(僅當(dāng)轉(zhuǎn)速等于40000r／min時，eper=4μm)。因此．規(guī)定上限值為G16、下限值為2～5μm(或gmm／kg)既可防止不平衡量過大對機(jī)床主軸的不利影響，又具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理性。此外，G16的規(guī)定還滿足了高速旋轉(zhuǎn)刀具安全標(biāo)準(zhǔn)(E DIN EN ISO15641)中規(guī)定刀具平衡等級應(yīng)優(yōu)于G40的要求。
　　該指導(dǎo)性規(guī)范還要求刀具的內(nèi)冷卻孔必須對稱分布．否則可灌滿冷卻液封死洞口后再進(jìn)行動平衡；并提出必要時可將刀具和機(jī)床主軸作為一個系統(tǒng)進(jìn)行平衡．即首先分別對主軸和刀具(或工具系統(tǒng))進(jìn)行平衡．然后將刀具裝入主軸后再對系統(tǒng)整體進(jìn)行平衡。
　　4.關(guān)于刀具平衡質(zhì)量等級的討論
　　雖然德國已出臺了有關(guān)刀具系統(tǒng)平衡質(zhì)量的指導(dǎo)性文件以及統(tǒng)一的G16平衡質(zhì)量等級規(guī)定．但仍存在不少關(guān)于刀具系統(tǒng)平衡質(zhì)量等級的爭議與討論。歸納起來主要有以下兩方面的問題：
　　(1)G16的平衡質(zhì)量等級規(guī)定給人一種“要求降低”的感覺，一般用戶已習(xí)慣了較高的平衡質(zhì)量等級，仍要求刀具制造商提供G2.5(最大使用轉(zhuǎn)速20000r／min)的刀具。另一方面，刀具制造商從市場競爭的需要出發(fā)．也盡可能使產(chǎn)品的平衡質(zhì)量等級優(yōu)于G16。因此，在現(xiàn)階段，工具制造商(包括刀具、刀柄、夾頭制造商)除滿足用戶提出的特殊使用條件及平衡要求外，都是根據(jù)各自的產(chǎn)品特點(diǎn)及制造水平自行規(guī)定產(chǎn)品出廠的平衡質(zhì)量等級。一些大型用戶企業(yè)如Bosch Technology公司、Daimler Chrysler Aerospace公司等則根據(jù)刀具的使用條件規(guī)定企業(yè)內(nèi)部的平衡質(zhì)量等級。
　　(2)德國Ulm高等專科學(xué)校的Uwe.Kolb等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在三臺平衡機(jī)上由不同操作者對同一把重量為0.87kg、使用HSK63刀柄的整體刀具進(jìn)行多次測量，得出的不平衡量最小為4.76Ogmm，最大為10.55Ogmm，可以計算出，在使用轉(zhuǎn)速=15000r／min時，前者相當(dāng)于G9，后者則相當(dāng)于G19，G值的分散范圍接近l0。對8種常用刀具一刀柄組合系統(tǒng)進(jìn)行的類似試驗(yàn)進(jìn)一步證明了這種分散性，試驗(yàn)結(jié)果表明，所有測量數(shù)據(jù)都達(dá)不到G2.5，甚至G6.3也不是在所有轉(zhuǎn)速下均能達(dá)到。研究人員指出，這種不平衡量的不確定性與缺乏統(tǒng)一的測量儀器和測試方法有關(guān)。目前，用于測量不平衡量的動平衡機(jī)既有專業(yè)廠家生產(chǎn)的通用型(一般為臥式)，也有專為刀具動平衡而開發(fā)的專用型(一般為立式)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的操作者使用不同類型的動平衡機(jī)對相同刀具測得的不平衡量數(shù)據(jù)并不一致。這也是目前用戶難以重復(fù)測出刀具制造商測定的不平衡量的主要原因。
　　一些研究人員提出，刀具合理的平衡質(zhì)量等級可按以下方式確定：對于金屬切除量較大的粗加工(如飛機(jī)整體鋁合金構(gòu)件、大型模具的模腔、鋁合金殼體等的加工)，刀具平衡質(zhì)量等級達(dá)G16即已足夠，但當(dāng)這種粗加工消耗功率較大時，在15000～24000r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)則可采用G6.3～G8.0，以減小不平衡力對主軸軸承的附加載荷。對于精加工，則要求刀具系統(tǒng)的平衡質(zhì)量等級至少應(yīng)達(dá)G6.3。也不排除采用更高的平衡質(zhì)量等級(甚至可比FKM規(guī)范的下限值更小)，這就需要對裝入主軸后的工具系統(tǒng)與主軸作為一個整體進(jìn)行在線平衡。
　　目前，德國Schunk公司新推出的帶液壓脹緊夾頭的HSK63整體結(jié)構(gòu)刀柄的出廠平衡質(zhì)量等級為G6.3，其殘留不平衡量為4gmm，推薦轉(zhuǎn)速為15000r/min。該公司生產(chǎn)的可精細(xì)調(diào)節(jié)平衡的液壓脹緊夾頭的使用轉(zhuǎn)速可達(dá)50000r/min。
　　5.刀具在線平衡系統(tǒng)
　　用戶在加工現(xiàn)場使用刀具時，由于對工具系統(tǒng)進(jìn)行組合及對刀柄與主軸進(jìn)行聯(lián)接時均可能產(chǎn)生一定偏心量，從而使經(jīng)過預(yù)先平衡的刀具產(chǎn)生新的不平衡，因此，開發(fā)一種能使整個刀具一刀柄一主軸系統(tǒng)在驅(qū)動狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)平衡的在線平衡系統(tǒng)極具實(shí)用價值，利用該系統(tǒng)甚至有可能直接使用未經(jīng)預(yù)先平衡的刀具組件進(jìn)行加工。
　　美國Baladyne公司開發(fā)的在線平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理如下：該系統(tǒng)由傳感器、控制器、配重盤、線圈等組成。主軸上帶有兩個電磁驅(qū)動的配重盤，通過調(diào)節(jié)兩個配重盤的位置，可使產(chǎn)生的不平衡力與需平衡的刀具系統(tǒng)的不平衡量相互抵消，達(dá)到在線平衡的目的。該系統(tǒng)經(jīng)過2.5秒鐘的“學(xué)習(xí)”后，集成在主軸中的平衡裝置采集到整個系統(tǒng)的動態(tài)特性，再經(jīng)過1秒鐘的自動調(diào)節(jié)后即可達(dá)到平衡。目前該系統(tǒng)可適用于60000r/min的轉(zhuǎn)速條件。Baladyne公司稱，如預(yù)先設(shè)計的配重盤能力足夠，可使用未經(jīng)預(yù)先平衡的刀具實(shí)現(xiàn)完全的在線平衡。
　　美國Kennametal公司開發(fā)的在線平衡系統(tǒng)由平衡刀柄、加速度傳感器、控制器和調(diào)節(jié)器組成，其特點(diǎn)是將電磁驅(qū)動的配重盤配置在刀柄內(nèi)，通過自動調(diào)節(jié)刀柄配重盤的相對位置，系統(tǒng)可對主軸和工具系統(tǒng)進(jìn)行整體平衡，而不必使用特殊主軸。
　　6.結(jié)語
　　目前，高速旋轉(zhuǎn)刀具已在我國一些工業(yè)部門中推廣應(yīng)用，高速切削技術(shù)的研究開發(fā)也成為我國制造業(yè)尤其是機(jī)床工具行業(yè)面臨的緊迫任務(wù)。在2001年第七屆北京國際機(jī)床展覽會上，我國已有機(jī)床制造廠展出了主軸轉(zhuǎn)速達(dá)10000～15000r/min的加工中心機(jī)床，工具行業(yè)通過技術(shù)改造也初步具備了開發(fā)高速切削刀具的能力，這都為高速切削技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了必要條件。與高速切削技術(shù)配套的刀具動平衡技術(shù)已成為機(jī)床工具行業(yè)共同關(guān)心的技術(shù)課題，加快該技術(shù)的研究開發(fā)工作將有助于高速切削技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。