刀具动平衡和转速的关系

提高切削速度结合更高的平衡要求对整个工具系统 (机床主轴、夹紧装置和刀具系统) 提出更严格的平衡条件。

刀具平衡要求

为了增强按照ISO 1940-1标准进行平衡的效果，通常可额外选择下一个更高的平衡等级 (例如G2.5而不是G6.3级)。这在技术上通常是不必要的并且会导致高成本，此外，在许多情况下也无法实现。

为了证明不平衡所导致主轴载荷的合理性而需要考虑的另一点是，动态切削力 (例如由铣削刀具断续切削产生) 通常明显高于要求的允许剩余不平衡量所产生的离心力。不平衡量对机床结构发挥速度谐波激励作用，激振离心力的大小由不平衡量和转速产生。

ISO 1940-1标准中规定的刚性转子 (例如电机转子等) 的工具平衡精度要求不能恰当地应用于这些整体系统，因为机床主轴、夹紧装置和刀具表现出本质上不同的特性：

• 机床主轴、夹紧装置和刀具是变化的系统 (例如通过在加工中心中换刀)
• 由于径向和角向夹紧误差的原因，在主轴内重复换刀会导致整体系统的平衡条件出现变化
• 各个组件 (主轴、夹紧装置和刀具) 的配合公差会对平衡过程产生限制

刀具系统与机床主轴之间的夹紧误差会对平衡条件的重复性产生限制，有鉴于此，旋转刀具系统的平衡要求必须将所有基本参数都考虑在内。主要目标是限制与不平衡有关的机床振动和系统负载以及过程干扰。

上述情况创造了一种指定旋转刀具系统平衡要求的新方法。ISO 16084标准满足以将主轴轴承因刀具不平衡而受到的实际载荷考虑在内的方式对旋转刀具系统进行平衡的要求。

ISO 16084标准规定，因不平衡产生的轴承载荷不得超过轴承动态承载能力的1%。在该标准中，所有允许剩余不平衡量均以 (gmm) 为单位表示，并且不会被分配给ISO 1940-1标准“在恒定 (刚性) 状态下转子的平衡精度要求”中的特定G精度等级。

刀具平衡理论

导致转子不平衡的原因可能是设计、材料、制造和装配。即使是成批生产而成，每个转子也会沿着其长度有自己的不平衡分布。

平衡是对转子的质量分布进行检查并在必要时做出调整的过程。这样做是为了确保在工作转速下作用于主轴轴承的不平衡力处于轴承的承载能力范围内。轴颈的振动也被控制在规定的频率极限范围内。

不平衡量，U (gmm)

是用于说明非对称分布质量相对于旋转轴的径向偏离程度的一种量度，参见下图。

U = m×e

偏心距，e (µm)

旋转中心与重心之间的距离，参见下图。

e = U / m

不平衡力，F (N)

不平衡会产生一个离心力，该离心力随着不平衡量和转数的平方线性增加，参见下图中的离心力。

F = U × ω²

刀具平衡理论

1. 旋转轴
2. 重心
3. 偏心距
4. 非对称分布质量
5. 离心力

平衡力

为了补偿不必要的离心力，可减少或增加有助于将重心引导至旋转轴的材料，参见下图。

不平衡量

1. 旋转轴
2. 重心
3. 偏心距
4. 非对称分布质量

通过补偿钻孔进行平衡

1. 旋转轴
2. 重心
3. 补偿钻孔
4. 非对称分布质量

ISO 1940-1标准要求的平衡等级 (G)

在20,000 rpm的转速条件下将刀具平衡至ISO 1940-1平衡等级G2.5时，允许存在1 gmm/kg的不平衡量 (e = 1 µm)，参见下面的图表。例如，一张小山特维克可乐满贴纸相当于4 gmm。在完全相同的转速条件下，ISO 1940/1标准允许重刀柄出现比轻刀柄更大的不平衡量。不同的不平衡量会产生不同的不平衡力，因此无法实现始终如一的系统载荷。

根据ISO 1940-1标准“在恒定 (刚性) 状态下转子的平衡精度要求”，G是旋转体平衡精度的一种量度。G是重心相对于转速的切向速度。G取决于转速 (n)、旋转体质量 (m) 和不平衡量 (u)。在转速未知的情况下无法确定G等级。

不同ISO 1940-1 G等级的允许剩余不平衡度

X轴：工作转速n，rpm

Y轴：允许剩余不平衡度e_per，gmm/kg

ISO 1940-1计算示例

Coromant Capto® C4刀柄

• 平衡等级：G2.5 (转速为20000 rpm时)
• 刀具质量：1.0 kg
• 平衡等级公式
• 偏心距 = 不平衡量/刀具质量

一张山特维克可乐满贴纸相当于4 gmm

这是一种为高速切削刀具应用度身定制的标准。ISO 16084标准意味着转子刀具系统的平衡方式将主轴轴承所承受的实际载荷考虑在内，不使用不同的G等级，而是为每种刀具分配一个特定的可接受不平衡量 (U) 值，单位为gmm。

由于ISO 16084标准仅为高速切削刀具应用度身定制，这也意味着引入了一系列与旧ISO标准不同的新参数。这提供了一种要求刀具系统不平衡量的更现实的方式。如前所述，不平衡量要求源自实际作用于主轴轴承的载荷大小，这是整个标准的基础。ISO 16084标准的基本公式如下。

分步计算指南

1. 确定适用的主轴接口 (具有单独定义的参数)。例如，Coromant Capto® C4或HSK-A63
2. 确定要执行的加工类型
   • 标准加工 (f_BAL = 0.8)
   • 精加工 (f_BAL = 0.2)
3. 输入刀具的特定参数
   • 刀具质量 (m_t)
   • 距离重心的长度 (L_CG)
   • 以RPM为单位的刀具转速 (n)
4. 计算最大允许不平衡量 (U_STAT,PER)

ISO 16084计算示例

1. 确定主轴接口：HSK-A63
   • C_dyn = 25 000 N (最大轴承载荷)
   • A_m = 50 mm (主轴头轴承)
   • L_b = 415 mm (轴承之间的长度)
   • E_s = 2.00 µm (刀柄连接误差)
   • U_BM,TOL = 0.75 gmm (平衡机公差)
2. 确定加工类型：精加工，f_bal = 0.2
3. 特定参数
   • m_t = 1.4 kg
   • 转速，n = 3500 rpm
   • L_CG = 75 mm
4. U_STAT,PER = 282 g.mm