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高速加工時的刀具平衡

高速加工（HSM）具有許多優點，但是既要降低切削費用，又要最大限度地發揮高速加工的優點，在實際生產中還需要克服許多困難。在高速加工中，當切削速度增加時，切削力將減小，利用這一特點，可以通過增大主軸轉速加工出尺寸公差和表面粗糙度更小的零件。
盡管高速加工尚無明確定義，但在某些試驗中主軸轉速可達到500000r/min，在實際生產中可達到100000r/min。由于當主軸轉速超過8000r/min時，旋轉零件需要進行平衡，因此可將高速加工定義為轉速不低于8000r/min。當主軸轉速低于8000r/min時，只有當刀桿質量分布非常不平衡時，離心力才會對加工產生不利影響。?
隨著主軸轉速高于8000r/min的機床使用數量不斷增加，組合刀具的平衡問題就顯得格外重要，它涉及刀具和刀夾。當旋轉刀桿的理論中心軸線與實際旋轉軸線不同心時，就會產生不平衡的情況。?
當決定是否需要對刀具進行平衡時應考慮許多問題，而通常情況下許多使用者往往忽視了這些問題。其中一個最關鍵的問題是在高速加工時刀具不平衡對機床主軸軸承的損壞。不平衡的刀具會對主軸增加一個額外載荷，從而引起主軸軸承過早磨損和失效。這不僅造成修理和更換主軸軸承的費用浪費，而且會因停機造成生產時間的損失。?
刀具不平衡會降低刀具性能和壽命，同時也會引起振顫，使加工表面質量變差。?
切削刀具和刀具夾頭（尤其是7：24錐柄）存在許多潛在的不平衡因素。當主軸轉速增加時，離心力會引起主軸孔略微脹大，而刀桿的錐柄不能隨主軸脹大，這就會減小刀桿與主軸的接觸面積，從而降低連接的牢固性。?
通過改變設計和仔細選擇刀夾和刀具，可以修正一些不平衡因素。這就意味著對稱設計可在一定程度上避免不平衡。然而對于帶移動零件的可調刀桿和不對稱的刀桿，則需要采用刀具平衡調節系統。當組裝式刀具用于高速加工時，應仔細考慮錐柄刀桿的設計因素、平衡可調節因素以及刀具精度和對稱性的選擇。?
錐柄刀桿的錐度尺寸公差對高速加工刀具的性能有很大影響。錐度的精度等級通常可參照國際標準ISO 1947。錐度公差是用以檢驗影響刀桿平衡和跳動的主軸鎖緊孔與刀桿錐度的公差。機床主軸錐度公差等級一般為AT2，但AT3更好。?
除了錐度公差外，在刀具裝配中還需考慮其它因素。每一項公差都會累加在一起引起刀具的偏心。這些因素包括刀具的圓跳動、刀夾系統的長度和其他零件（如夾頭，卡環等）的對稱性。?
在高速加工中，我們必須清楚引起不平衡的因素和減小不平衡的措施。其中影響程度最大的就是刀夾。在高速加工中，應優先使用平衡設計刀夾或可調平衡刀夾。平衡設計刀夾是從設計上對刀夾平衡度予以保證，但不能補償在裝配過程中由其他零件引起的不平衡。此時，只有假設由其他零件引起的不平衡是可忽略的，但在實際生產中往往不可行。因此我們建議在使用這種刀夾時要測量不平衡量，并盡可能保證其在標準允許的范圍內。?

可調平衡刀夾除在設計上給予保證外，還能補償裝配過程中由其他零件引起的不平衡。制造商們已經采用了許多方法來平衡刀夾，如使用螺釘、鋼球、調節環和調節塊等。?
可調平衡刀夾補償不平衡的能力是有限的，在一些情況下，由于不平衡質量太大，以至不能使刀具恢復平衡，從而導致機床不能按所設定的轉速運轉，此時需要降低機床轉速和重新組裝刀具。?
其它制約高速加工的因素還包括工件材料、工件懸伸量、夾具、刀具廓形、切削深度等。?
平衡過程可以改進刀具和刀夾的質量分布，使兩者旋轉時產生最小的不平衡離心力。然而平衡過程不可能涉及所有的不平衡因素。?
任何程度的不平衡質量都將造成振動。刀夾及其安裝、機床結構等都將影響振動的特征。?
ISO 1940/1和ANSI 2.19—1989是定義平衡度的標準。兩個標準均在實用的基礎上，應用“G”等級體系規定了平衡要求。例如，平衡度G2.5意味著圓周振動速度不超過2.5mm/s。這些等級隨著高質量機床、刀具和刀夾的出現而不斷提高。當規定的平衡度不能達到時，應降低主軸轉速。