一般來(lái)說(shuō),對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速較低的機(jī)床,平衡的重要性相對(duì)較小,而高速切削機(jī)床的平衡問(wèn)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(lái)解決平衡問(wèn)題。不過(guò),對(duì)于非常精密和轉(zhuǎn)速很高的加工,仍然需要對(duì)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(shuō),必須對(duì)自己使用的刀柄進(jìn)行平衡,但他們不清楚這種說(shuō)法是否正確。如果不對(duì)刀柄進(jìn)行平衡,會(huì)損壞機(jī)床或工件嗎?正確的問(wèn)題不是“應(yīng)該對(duì)刀具和刀柄進(jìn)行平衡嗎?”而是“何時(shí)應(yīng)對(duì)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(lái)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(jí),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(jí)G取決于加工要求。例如,一般來(lái)說(shuō),通用機(jī)床的平衡等級(jí)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(duì)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(duì)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(wú)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(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)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(gòu)買一臺(tái)平衡機(jī),或者需要為外協(xié)平衡服務(wù)付費(fèi)??善胶獾侗贤ǔS幸粋€(gè)或多個(gè)配重環(huán),通過(guò)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(zhǎng)度來(lái)容納配重環(huán),而增加刀柄的長(zhǎng)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(duì)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(lái)說(shuō),對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速較低的機(jī)床,平衡的重要性相對(duì)較小,而高速切削機(jī)床的平衡問(wèn)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(lái)解決平衡問(wèn)題。不過(guò),對(duì)于非常精密和轉(zhuǎn)速很高的加工,仍然需要對(duì)裝配好的刀柄和刀具進(jìn)行平衡操作。
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