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)達國家的汽車、飛機、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，要求達到的切削速度并不相同，通常可將切削速度(或進給速度)較普通切削提高5～1O倍歸入高速切削范疇。
　　高速切削的實現(xiàn)需要建立在機床、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)用于在加工中心機床上采用銑刀、鏜刀、孔加工刀具等旋轉(zhuǎn)刀具進行的切削加工，所用加工中心機床的主軸轉(zhuǎn)速通常在10000r/min以上。當(dāng)加工中心機床主軸轉(zhuǎn)速高達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進行平衡。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”的項目進行了系統(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、機床和平衡機制造行業(yè)、用戶行業(yè)、大學(xué)和研究機構(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：
　　(1)認為對刀具平衡質(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)安裝在機床主軸上時存在的偏心量(單位為)，根據(jù)現(xiàn)有機床制造水平，該值通常為2～5μm(根據(jù)每臺機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床主軸的不利影響，又具有技術(shù)、經(jīng)濟合理性。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行動平衡；并提出必要時可將刀具和機床主軸作為一個系統(tǒng)進行平衡．即首先分別對主軸和刀具(或工具系統(tǒng))進行平衡．然后將刀具裝入主軸后再對系統(tǒng)整體進行平衡。
　　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?？茖W(xué)校的Uwe.Kolb等人通過試驗發(fā)現(xiàn)，在三臺平衡機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)進行的類似試驗進一步證明了這種分散性，試驗結(jié)果表明，所有測量數(shù)據(jù)都達不到G2.5，甚至G6.3也不是在所有轉(zhuǎn)速下均能達到。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)。試驗結(jié)果表明，不同的操作者使用不同類型的動平衡機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)的可精細調(diào)節(jié)平衡的液壓脹緊夾頭的使用轉(zhuǎn)速可達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)進行組合及對刀柄與主軸進行聯(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)下實現(xiàn)平衡的在線平衡系統(tǒng)極具實用價值，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床展覽會上，我國已有機床制造廠展出了主軸轉(zhuǎn)速達10000～15000r/min的加工中心機床，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。