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[刀具设计] 回转类刀具设计时的动平衡处理 上海山田刀具有限公司 奚小龙

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    发表于 2019-12-5 08:19:48 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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    回转类刀具设计时的动平衡处理
    上海山田刀具有限公司
    奚小龙
    1 引言

    [size=1em]切削过程中,由于回转类刀具自身重量不均匀,将会产生离心力,随着切削转速的提高,离心力将会以二次方关系快速增大。

    [size=1em]高速切削时由于不平衡量产生的离心力将会造成切削振动和切削异响,引起加工尺寸精度和形位公差不合要求,造成加工表面质量下降。较大的离心力同样会对主轴产生附加载荷,加剧主轴轴承磨损,降低主轴使用寿命。

    [size=1em]在保证尺寸精度及形位公差的情况下,刀具制造越来越注重动平衡精度,但对于一些偏重较大、结构复杂的刀具,不恰当地去除材料会使刀具报废。因此在刀具设计时需要考虑动平衡的因素,排除制造与设计的偏差及材料密度不均匀的影响,以达到刀具的平衡。

    2 动平衡惯量计算

    [size=1em]高速加工工具系统的平衡精度的检测通常采用不平衡和动平衡精度等级两种指标进行评价。

    [size=1em](1)不平衡量

    [size=0.8em]图1 参数示意图

    [size=1em]如图1所示,设转动件的质量为m(g),质心与转动中心的偏心距为e(mm),则该转动件的不平衡量U(g·mm)为

    [size=1em]U=em

    [size=1em](1)

    [size=1em](2)动平衡精度等级

    [size=1em]动平衡精度G(mm/s)与转动的角速度ω(rad/s)有关,为

    [size=1em]G=eω

    [size=1em](2)

    [size=1em]ω=πn/30

    [size=1em](3)

    [size=1em]式中,n为转速(r/min)。

    [size=1em]将式(3)代入式(2)得

    [size=1em]G=eπn/30

    [size=1em](4)

    [size=1em]不平衡量U与动平衡等级G的关系为

    [size=1em]U=Gm/ω

    [size=1em](5)

    [size=1em]根据以上分析,G、n、e为主要参数,其中G值参考ISO1904-1和GB/T9239.1,刀具设计动平衡等级一般取值G=2.5和G=6.3;n取值应为nmax,n>nmax时,动平衡将失稳;e值可根据确定后的G、n值利用上述公式推算,故e为设计刀具时动平衡的衡量参数。

    [size=1em]刀柄部分直接与主轴连接,具有较高的刚度,因此刃具部分为主要考虑对象。假设刀具质量为m(kg)、弹性模量为E(N/m2)、惯性矩为I(m4)、长度为L(m),当刀具以角速度ω转动时,在远端A处当角速度ω超过一定值时,离心力过大,将使刀具产生变形,处于不平衡状态(见图2)。

    [size=0.8em]图2 刀刃

    [size=1em]临界动平衡失稳角速度的计算式为


    [size=1em](6)

    [size=1em]式中,E为材料常量。

    [size=1em]刀具截面为圆形,圆形对于圆心的惯性矩为


    [size=1em](7)

    [size=1em]将计算出的n值代入式(4),最终求得所需要的e值,在设计刀具时的质心偏心距取值应小于所求得的e值。

    3 利用3D软件查看和改变质心位置

    [size=1em]由于回转类刀具轴向不进行高速位移,故只研究其径向不平衡量(见图3)。建立刀具的3D模型并利用MX10.0软件检测体的功能查看质心(重心)位置。

    [size=1em]通过指派材料、查看质心、去除部分材料改变质心位置(见图4)等步骤,根据软件查找的质心坐标为


    [size=1em](8)

    [size=1em]若e′>e,则需要去除部分材料改变其位置至e′<e(见图5)。

    [size=0.8em]图3 径向不平衡量

    [size=0.8em]图4 改变质心

    [size=0.8em]图5 去除材料位置

    4 结语

    [size=1em]设计刀具时,需要先将去除的材料部分体现出来,在制作后期避免因材料去除过多引起应力变形造成工件报废,此外,钢柄类基体刀具提前去除材料可避免热处理后硬度过高不易加工等问题。



    [size=1em]收稿日期: 2018年9月

    [size=1em]作者:奚小龙,工程师,上海山田刀具有限公司,201716上海市



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