平衡在高速精镗中的作用
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图1:平衡和未平衡的镗刀在铝材中加工一个50mm直径孔的情况。两把刀具在5,000r/min的速度下产生了相同的圆度误差,但当速度翻番时,未平衡的刀具产生的误差高5µm,两把刀具之间失衡差为40g-mm,在10,000r/min的转速下,这将导致离心力方面相差100磅
对于特定加工中心可能进行的最高公差切削,可以使用带可调切削直径的单点镗刀。同时,这种刀具也可能是机床切削时具有最高固有失衡量的对象。
这种现象随着主轴速度增加会产生真正的后果,因失衡而产生的离心力会以转速的平方上升。将速度从4,000上升到8,000r/min,在不对刀具进行任何改变的情况下,会引起离心力增加四倍。将相同过程的速度提高到12,000r/min会将因失衡而产生的力上升到原始速度的9倍。缘于这种指数性上升,一种曾经可以忽略的效应可能会放大到无法再保持小公差的程度。
位于美国伊利诺斯州的KPT Kaiser公司可提供可变直径精密镗刀。在过去10年,随着各种档次的加工中心最高速度的大大增加,该公司推出了更适合高速镗削的更新版刀具。在新版本中有可调平衡型-采用移动式平衡块来补偿因切削刀片径向位置发生变化而产生的失衡所引起的变化。
但是并不是每个镗削应用场合-甚至不是每个高速应用-都是这些可平衡刀具的候选者。工程副总裁Jack Burley说,具有可调平衡的刀具只占公司变径刀具销售额的10%。但是,无法通过移动式平衡块进行平衡的刀具却可以在刀具可调直径范围中间加以平衡。与大多数精密镗削应用一样,仅仅这种平衡就足够了。
了解当失衡施加到单点镗削时会产生什么样的情况对于想以较高切削速度加工精密孔的车间而言是非常有用的。此外,这种了解还在更多情况下非常有用。在各种不同应用场合采用较高主轴速度的车间通常关心失衡的潜在影响。高速精密镗削的实例-将高度非对称刀具与非常浅的切深结合为一体-可为这些车间提供有效的准则。各种条件的极端组合可以表明失衡对加工过程产生影响的程度。
高速加工中一个常见错误是很少考虑平衡的问题,而另一个常见的错误是对平衡考虑的太多。高速加工确实值得采用依据严密的平衡要求而制造的高质量刀具和刀夹,但在采用立铣刀以及其它本身对称刀具的场合,仅通过选择高质量刀具可能就足以确保足够的平衡。此时试图通过对刀具进行某些离线调节而进一步提高平衡则会显得画蛇添足,会导致离心力发生变化-这种离心力与切削产生的力相比是很微小的。单点镗刀更需要精确的平衡调节,原因是,较浅的切深与较小的失衡力相比而言显得较明显。

图2:这里所显示的精密樘刀是通过靠近其可调范围中间的直径设置调平衡的

图3:这种粗樘刀采用对立刀片来平衡切削力,减少了切削过程中产生的绕曲
即使这样,失衡的效应也不应认为对每个人都意义重大。在可平衡和不可平衡的单点刀具上以10,000r/min速度进行的比较试验显示了大约5µm(见图1)的孔圆度误差。许多加工操作可以接受与此数量级可比的误差。但是在精密镗削中,必须考虑这种数量级的误差。

镗削和速度

图2给出了一把直径可调精镗刀的实例。借助其可调性,一把刀具可以加工大量直径不同的孔。并且由于可调性很精细,可以通过补偿机床与机床间或设置与设置间挠曲方面的差异而获得精确直径。为了进行这种补偿,一般在某特定过程中在第一次用刀具时,要先让它走两刀。第一刀以稍微欠一点的直径进行。然后测量孔。接着增加刀具直径,增加的量为去除剩余材料余量所需要的数值。
用这把刀具来精加工孔-其中事先已经实现合格的位置精度、圆度及直线度。在图3中显示了用于设置这些参数的粗镗刀。该刀具的直径也可调,但没有相同的微量控制。由这把刀具加工事先存在的孔,诸如铸件和锻件中的型心孔。孔的圆度及直线度基于刀具设计-刀具对切削刃进行定位的方式为,让各自产生的切削力彼此相对。其它用于粗加工孔的刀具不带这种互补力,并且由于缺乏平衡,这一点可能会影响孔的几何形状。例如,钻头会发生游走现象。用于圆周铣削加工的立铣刀很容易从切削处偏离,并且刀具越长,这种偏离就越大。粗镗刀中力的平衡克服了这些问题。
对于这把刀具,用高速的好处仅仅是生产率高。不用考虑失衡的问题,因为这把刀具不进行精密切削,并且因为刀具的对称性趋向于将失衡限制在足够低的水平,因此它不会影响性能。
对于精密镗刀,采用高速的好处却是更多的。失衡所提出的挑战更大。
精镗中采用高速可以提高生产率,还可以提高孔质量。高档切削刀具材料诸如PCD、CBN和陶瓷等(见图4),随着切削速度升高,加工出来的表面更光滑。此外,更高的切削速度可以直接转化为更低的刀具成本,因为这些相同的刀具在较高的切削速度下可以实现更长的使用寿命。

图4:比硬质合金更硬的切削刀具材料允许采用更高的切削速度。对于这些材料,随着速度增加,刀具寿命及加工表面的质量都会提高。
实现所有这些好处的可能障碍来自于失衡产生的离心力。

平衡动作

图2所显示的可调直径刀具的可平衡版会自动进行平衡修正。在刀体内侧,移动式平衡块会随着切削直径方面的各种变化进行移动。
对于伸长杆式刀具,直径调节并不是影响失衡的唯一变量。还有一个重要方面是用户对伸长长度的选择。
为了补偿变量的这种组合,刀具采用手动平衡系统。由一个经过编号的拨盘在刀体内侧移动平衡块机构。拨盘的数值基于刀具厂家的图表。在该图表中,用户可以查阅设想的孔径和孔深,同时还有切削刀片刀头半径,以确定该平衡块拨盘的正确设置。
除了这些因素外还有其它因素也会导致失衡问题。加长杆拧固的紧密度也会影响刀具的平衡状态。刀片的选择也会产生这样的效果,因为陶瓷金属刀片的重量只有相同硬质合金刀片的一半。对于可调平衡刀具,诸如这些所产生的影响没有进行补偿。但是这时候,平衡该刀具的目标不是满足某些窄窄的平衡目标。相反该目标将是减少在其中可以产生稳定切削的点上的失衡现象,因为切削力远远大于离心力。在此点以外,进一步的改善将无法明显地影响刀具切削时工件或机床所承受的作用力大小。
换言之,最重要的“平衡”,是可能的过程改善量与足以满足当前应用所需要的改善量之间的平衡。

改变刀片加紧装置会增加切削直径,同时还增加失衡量

我们所谈论的力有多大?

KPT Kaiser所销售的可调直径单点镗刀只有大约10%配备移动式平衡块来补偿直径变化时发生的失衡。所有其它刀具都设计为只在靠近可调直径范围中间的某点上进行平衡。没有销售更多“可平衡”刀具的原因是,即使在高速下,失衡也不一定产生与切削力相比足够高的具有重要影响的离心力。
失衡产生的力可以用这个公式近似计算:F≌u x(rpm/20,000)2其中F=力,单位为磅,u=失衡量,该特征参数的典型单位为g-mm。
KPT Kaiser提供一种直径可以在0.984-1.299英寸范围内调节的单点镗刀。在这个范围内,刀具最大的失衡发生在0.984英寸处,失衡量为30g-mm。根据上面的公式,在10,000r/min时使用该刀具将产生大约7.5磅的离心力。将这种变化水准加到切削的总作用力上将不会影响在加工中心上加工的大多数工件,但却可能影响精镗的成功实施。
改变刀片夹紧装置(见图)可以将该刀具的触及范围扩展到1.850英寸。该直径的失衡量为70 g-mm。此时10,000r/min时的离心力变为17.5磅。
但是,这将是一种冒险的应用。这种主轴转速和直径的组合将导致切削速度达4800sfm-远远高于大多数车间一般采用的切削速度。以此转速切削此直径的车间可以换一种方式,即采用同一厂家的直径较大的精镗刀-一种将需要的直径安置在更靠近刀具平衡状态的刀具。
结论是 :即使在10,000r/min的转速下,也需要非常高的失衡量才能产生对加工过程具有明显影响的作用力。由于精镗中作用力较低且公差较窄,因此尤其可能受失衡现象的影响。但是,即使在精镗加工中,较高的主轴转速也不会自动产生对刀具进行某些机械式平衡调节的必要。相反,“可平衡”刀具要么适合大大高于10,000r/min的速度,要么适合将高转速与非常高的精度以及/或在刀具某些固有失衡状态下运行刀具这种需要结合为一体的应用。
本文作者:Peter Zelinski
原载:《国际模具制造商情》
上载于:2004-3-11 20:06:42

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