刀夾平衡策略

由于大多數機械師不理解刀夾平衡的原理，他們通�；ㄙM不必要的時間和資金來試圖實現較高 的平衡水準。各種應用場合所需要的刀夾平衡水準應該受操作要求支配。

    低速運行時可以承受的刀夾失衡量要比高速運行時高多。

    對于某特定應用場合的最佳平衡，需要理解以下幾個方面：

◆失衡的影響以及什么時候這種影響很重要；

◆何時要采用最佳控制策略；

◆不同的刀夾配置隨著速度上升其性能如何。

    指令刀具系統公司（Command Tooling Systems）(www.commandtool.com)的工程主管Dennis King說：“刀夾是在生產完成后通過測量和必要的質量修正而平衡的�？梢云胶獾牡秺A應該進行硬平衡（去除材料）以使其達到良好的平衡性能。然后，應該用可平衡特征來修正預置過程的變量——如果它們對操作非常重要的話。”刀夾或主軸平衡有兩個標準，即ISO 1940及ANSI S2.19，其中每個標準都是由一個委員會將平衡控制細分為三類而創立的：

◆振動控制

◆力控制

◆零件生產能力

在這三個方法中，振動控制最經常使用。

平衡策略

    制造商們通常用G數（單位為毫米/秒，mm/sec）來定義失衡度。其它描述以一定轉速自轉的零件中發生的振動的方式有加速度、速度和峰-峰位移等。ANSI S2.19標準對單平面和雙平面平衡及對在采用振動法（通常稱作G數規范）時如何計算可接受的失衡量介紹得非常詳細。G數是振動閾值極限。G1.0對應于1.0 mm/s振動的自由轉動。由于高公差磨削操作涉及到穩定的工件和主軸，G1.0通常是針對磨削主軸規定的。

HSK E和F刀夾是對稱的，因此，從一開始就是平衡的。

磨削通常涉及成千上萬次工件交互作用而產生的恒定力（中斷時除外），這種交互作用使操作力非常均勻。機加工操作的負荷通常比磨削操作的高，并且每次加工操作都有自己的頻率和振幅。刀齒沖擊形成的振動要比磨削中產生的高得多，并且這些振動限制了非常有限的平衡的有效性。 

     指令刀具系統公司的PE，William Keefe解釋說：“跳動變化會影響振動，通常會消除來自平衡的增益。機加工比磨削允許更高的振動，原因是機加工公差一般比較大，而總體操作不會從更嚴格的平衡公差受益。因為這些原因，機床主軸和機床零件通常用G2.5及G6.3的振動級規定。”

    G數通常被指定給一個總體組件。機床主軸組件可能在操作中擁有G6.3的總體設計平衡水準，而主軸和刀夾卻可能平衡到G2.5級。此外，主軸的重量和圓柱形構造使它可以很容易平衡到G2.5、G1.0 甚至G0.4級。

    主軸的主要旋轉質量可以在中心之間或通過中心方便地加以平衡，形成很高的分辨率及重復精度。一個組件的所有主要子部件都具有相同的振動水準要求。

    由于刀夾的定位面是一個錐體，因此刀夾平衡比較困難。刀夾的輕重量，連同錐體/平衡機構，使得在主軸轉速較高的情況下將刀夾平衡到G 1.0、G2.5或G6.3很困難。

    理想情況下，表面粗糙度是由進給速度、切深及主軸轉速確定的。但是，表面粗糙度還受本底振動影響。來自良好切割的振動應該是主軸轉速（rpm）的倍數。在主軸頻率下產生的力或其倍數，包括失衡力以及每個刀齒削掉切屑時產生的力。

    失衡力在組件中的作用可能像額外跳動。指令刀具系統公司估計，因平衡良好的刀具增加的跳動或者動態跳動為25 μ英寸~50 μ英寸 (0. 64 μm~1.3 μm)。在平衡至G12的刀夾以15,000r/min的轉速轉動時，這個額外的跳動可能高達0.00016英寸(4.1 μm)。在一家大型制造廠進行的一系列切削試驗發現，平衡至G2.5和G12的刀夾加工產生的表面粗糙度沒有明顯的差異。 

   但是，這只是一個試驗，如果從這些結果概括出一般性結論，那么就可能引起誤導。當切屑負荷很小時，上升的G級其效應可能就很明顯了。

    振動級法是考察平衡時約束性最高的方法。通常，由于缺乏理解，或者因想補償沒有實施或以不正確方式實施的平衡這種愿望，會指定不必要的具有約束性的平衡級。

    力控制，另一種處理平衡的方法，要求理解加工力和平衡力，并管理總體水準以防主軸損壞。隨著轉速上升，平衡變得更加重要，因為因失衡而產生的力是速度平方的函數。

    在許多低速應用中，不需要進行任何類型的平衡操作。在主軸轉速較低時，平衡不重要，因為平衡引發的力很低。

    但是，在高速下，振動法不實用，因為力方程產生非常低的允許剩余失衡量。

    盡管振動法在某些情況下可能夸大平衡的重要性，但是力控制法卻忽略了這樣一個事實，那就是，盡管失衡力可能不會損壞機床，但加工出來的零件可能會不合格。

    盡管特定的失衡可能不會產生出一個高得足以損壞主軸的力，但是如果刀具不止一個切削刃，那么失衡力矢量的功能會像跳動一樣破壞工件表面粗糙度。這是因為失衡力隨著刀具旋轉，并且始終會相對于主軸面指向相同方位。即使很輕微的失衡，如果它旋轉足夠快，也可能形成100磅（445 N）的失衡力，這么大的力足以將主軸中心線拉成一個圓，這個圓的半徑等于主軸彈性常數乘以因失衡而產生的力。這種主軸中心線跳動是因刀夾失衡造成的。

    King說：“振動法比較保守，保證可以解決平衡問題。但是，在某些情況下，堅持這種方法會不經濟或實際上不可能。在這些情況下，應該對產生的力進行評價，如果足夠低，那么就可以通過機床制造商及刀夾供應商的協助而啟動一個嘗試過程，以確定是否可以產生緊公差。當刀夾以高出30,000 r/min的速度轉動時，無法達到G2.5。由于刀夾抓取和定位中所涉及的機構的原因，任何時候試圖實現低于1 g-mm的失衡量都是一種浪費。”

    某些刀夾柄部和端部從平衡方面看要優于其它產品。本文中，嚴格從平衡方面考慮刀夾。

刀夾平衡要考慮的問題

    在考慮采用哪種刀夾/刀具接口時，精度和抓取強度最重要。在許多操作中，可以有多種選擇，這時候，平衡可能是一個決定性因素。

    盡管摩擦性接口諸如莫氏或Jacobs錐度是對稱的，但不能在高速下使用，因此不考慮。Weldon型立銑刀刀夾可以加以平衡，但是它們通常因為跳動而性能不良，并且因止動螺釘而具有結構上較弱的90°構造。

    這兩個問題限制了立銑刀刀夾的性能，盡管它可以很好地進行平衡，并且如果采用一致性比較好的刀具，它們會實現很好的平衡重復性。

    ANSI型或CT型刀柄具有最大的未修正平衡。它們帶有偏置驅動鍵來實現切削刃之間的同步，對于一把40錐度的刀夾，偏置驅動鍵可能引發90 g-mm，而對50錐度的刀夾，則可能引發400 g-mm的失衡。

因恒定失衡量造成的力隨轉速上升的曲線圖

此外，這些刀柄還具有一個不帶導向的保持旋鈕，在任何方向都可能導致5 g-mm ~ 25 g-mm的失衡。其它刀夾標準性能較好，并且對保持旋鈕進行導向可以實現更高的平衡重復性。

     DIN69871標準和MAS 403 (BT)標準均類似于CT，但是旋鈕帶有導向性公制螺紋。平衡方面的最佳設計是BT法蘭刀夾，它們不帶偏置驅動鍵，并且結構完全對稱。

     E和F HSK刀夾高速版中沒有非對稱結構，因此它們自始至終都處于完美的平衡狀態。但是，由于A型HSK刀夾具有很難在兩個平面內修正的固有失衡性，從平衡方面看，它們比ANSI型刀夾更差。

     套筒銑刀刀夾可以在組裝后加以平衡，但是通常會因導向塊上允許的公差而引發誤差。此外，某些刀具不對稱。對稱并不等同于偶數數量。具有三個和五個刀齒的刀具可以對稱，而一把四齒刀具卻不一定平衡。

     大多數可轉位刀具具有最高的額定轉速，盡管刀具可以針對更高速度平衡，但是卻不得以超出刀具廠家規定的速度運行。銑刀夾頭通常在高速和高功率加工中使用。盡管它們具有優異的精度和抓取強度，但是它們的平衡重復性卻很差。如果運動元素較多，通常平衡重復性就比較低——盡管情況并非始終如此。液壓夾頭重復性和精度可以非常高。

     動態密封裝置，諸如活塞等，始終產生微泄漏。使用足夠長時間后，這種泄漏會大大限制性能。

     液壓夾頭還具有一個薄薄的限制其高速銑削有效性的彈性膜。在鉆削操作中（通常以低速進行），液壓夾頭始終被認為是一個良好的應用。

     彈簧夾頭刀夾對于高速加工提供足夠高的抓取力。但是，在高功率加工中，該接合體可能發生滑移——特別是在低速時，因為力通常高于高速加工中產生的力。

     DR彈簧夾頭具有很精確的節距，帶有一個60度V形結構，可以防止速度上升時松動。經驗表明，端部直徑越小，刀夾運行速度就可以越高。彈簧夾頭結合體和彈簧夾頭是對稱的，具有非常好的平衡，并且一起運行時性能非常好。

     用于抽取彈簧夾頭的接頭需要具有經過平衡或對稱的抽取裝置。 

     過盈配合刀夾不帶移動元件，并且是最好的高速連接裝置。它們的單體設計可以完美地定位刀具，并且是對稱的。主軸速度高于50000 r/min時產生的離心力是唯一在操作中松開刀夾抓取力的因素。盡管BT40過盈配合刀夾可能實現了完美對稱，并且因此對于高速加工從設計上實現了平衡狀態，但只有在去除了制造變化性后，它才可以以 15,000 r/min的速度運行。

     提示：用戶必須要能夠測量失衡量，以確保刀夾經過了適當平衡。過盈配合刀夾或彈簧夾頭通常只需要在出廠前進行一次硬平衡。除非主軸轉速超出約30,000 r/min，否則經過平衡處理的刀夾能充分滿足各種平衡要求。