（机械电子工程专业论文）高速加工工具系统动平衡及其应用基础的研究.pdf

摘要 摘要 高速加工是集材料科学，工程力学、信息科学、控制理论和制造技术为一体 的综合加工新技术，它与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起，构成了 当今机械制造中的四大先进制造技术。工具系统在高速加工机床中占有重要的地 位，其结构特性、静动态特性、动平衡稳定性等对高速加工的质量和效率具有重 要的影响。其中动平衡技术也是目前高速机床和精密机床研究的四大技术难点之 一( 主轴精度、动平衡、温升冷却、热变形) 。因此去研究高速加工工具系统的动 平衡及其工程应用，对推广高速加工和精密加工技术具有重要意义。 本文以配套在高速机床的h s k 工具系统为研究对象，运用转子动平衡原理， 确定工具系统动平衡类型及其相应的平衡方法，在综合分析工具系统不平衡因素 产生原因的基础上，通过实验研究，揭示工具系统不平衡量和加工工艺系统之间 的一些规律，详细探讨了工具系统动平衡精度等级的选用原则，阐述了国外高速 加工工具系统先进平衡技术的工作原理，为工具系统的设计、制造和使用提供理 论指导。 全文由七章组成。第一章绪论，第二章高速加工工具系统动平衡的基本原理， 第三章高速加工工具系统动平衡分析，第四章高速加工工具系统动平衡对机床和 加工的影响，第五章高速加工工具系统动平衡的精度，第六章高速加工工具系统 的先进平衡技术，第七章研究工作结论及其发展展望。本文研究的主要贡献有： 1 在研究刚性转子动平衡原理和挠性转子动平衡原理的基础上，首次提出了 区分工具系统是刚性转子还是挠性转子是实施动平衡技术的必要前提。 2 系统地分析了在h s k 工具系统的设计、制造、装配、使用等一系列过程 中，各种不平衡因素产生的原因，并且将各种因素分为确定性和不确定性两种， 为工具系统的设计、制造、装配和使用提供理论指导。 3 系统地分析了工具系统各种平衡方法的特点和性能，提出了正确运用工具 系统各种平衡方法的途径，为工具系统的设计和合理确定工具系统动平衡工艺提 供理论指导。 4 通过实验方法，初步揭示工具系统不平衡量与高速机床主轴振动和加工工 件表面质量之间的一些定量关系和结论，为确定合理的高速加工切削参数和确定 江苏大学硕士学位论文：高速加工工具系统的动平衡及其应用基础研究 合理的工具一主轴系统动平衡精度等级提供依据。 5 探讨了高速加工工具系统动平衡精度等级选用的各种方法，提出了设计高 速加工工具系统时，其平衡精度等级合理确定的原则。同时研究了工具系统视作 挠性转子时，由不平衡量所引起的变形对平衡精度等级的影响，提出了对其原始 不平衡量和平衡精度等级进行修改的计算方法。 本研究的成果进一步丰富和发展了高速加工工具系统的设计理论和应用技 术，对正确实施高速加工工具系统动平衡技术和提高高速加工的质量和安全性具 有重要的理论意义和应用价值。 本研究得到国家科技攻关计划项目高速加工工具系统的开发与应用( 编 号：2 0 0 l b a 2 0 5 8 0 5 ) 的资助。 关键词：高速加工，h s k 工具系统，动平衡原理，动平衡技术， 平衡精度等级，在线自动平衡 h ；曲s p e e dm a c h i n i n g ( h s l v 0i san e wc o m p r e h e n s i v et e c h n i q u e ，w h i c hi n t e g r a t e s m a t e r i a ls c i e n c ew i t he n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，i n f o r m a t i o ns c i e n c e ，c o n t r o lt h e o r ya n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y h i g hs p e e dm a c h i n i n g , t o g e t h e rw i t hp r e c i s i o nm a c h i n i n g , h i g h - e n e r g yb e a mp r o c e s s i n ga n df l e x i b l ea u t o m a t i cp r o c e s s i n g , m a k eu po f t h ef o u r a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sn o w a d a y s t o o l i n gs y s t e mp l a y s 珏i m p o r t a n t r o l ei nt h eh i g hs p e e dc u t t i n gm a c h i n e ，a n di t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，s t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，d y n a m i cb a l a n c i n gp r o p e r t y , h a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eu p o n t h e q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f h s m e s p e c i a l l y ，d y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yi so n e o f t h e f o u rd i f f i c u l tp r o b l e m sa m o n gt h er e s e a r c ho fh i 馥s p e e dm a c h i n ea n dp r e c i s i o n m a c h i n e ( p r e c i s i o no ft h ep r i n c i p a la x i s ，d y n a m i cb a l a n c i n g ，t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g a n dc o o l i n g ，h e a td e f o r m a t i o n ) t h u sr e s e a r c h e so nd y n a m i cb a l a n c i n go fh i 酉s p e e d m a c h i n i n ga n di t sb a s i ca p p l i c a t i o n , h a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o ni np o p u l a r i z i n gt h e t e c h n i q u eo f h i g hs p e e dm a c h i n i n ga n dp r e c i s i o nm a c h i n i n g t a k i n gh s kt o o l i n gs y s t e me q u i p p e di nt h eh i g hs p e e dm a c h i n ea sr e s e a r c h e d o b j e c t ，t h eb a l a n c i n gt y p e sa n dc o r r e s p o n d i n gb a l a n c i n gm e t h o d so f t o o l i n gs y s t e ma r e d e t e r m i n i n gb ya p p l y i n gr o t o rd y n a m i ct h e o r y o nt h eb a s i so fs y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n g a l lt h er e a s o n so fu n b a l a n c i n gw o r k i n g ，t h el a w sb e t w e e nt o o l i n gs y s t e mu n b a l a n c i n g a n dm a c h i n i n gs y s t e ma r eo b t a i n e di ne x p e r i m e n t f u r t h e r m o r e ，t h es e l e c t i o np r i n c i p l e s o f d y n a m i cb a l a n c i n gp r e c i s i o ns c a l ea r ed i s c u s s e d ，i n t h ee n d ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f a d v a n c e dt o o l i n gs y s t e mb a l a n c i n gt e c h n o l o g yi se x p l a i n e dt op r o v i d et h eg u i d a n c ef o r t h ec o u r s eo f t o o l i n gs y s t e md e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n ga n du s i n g t h ed i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w s ：c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n c h a p t e r2 ：t h e d y n a m i cb a l a n c i n gp r i n c i p l eo fh i g hs p e e dm a c h i n i n gt o o l i n gs y s t e m c h a p t e r3 ：t h e d y n a m i cb a l a n c i n ga n a l y z i n go fh i 曲s p e e dm a c h i n i n gt o o l i n gs y s t e m ，c h a p t e r4 ： a f f e c t i n gt h eh i g hs p e e dm a c h i n ea n dc u t t i n go fh i g hs p e e dm a c h i n i n gt o o l i n gs y s t e m d y n a m i cb a l a n c i n g c h a p t e r5 ：d y n a m i cb a l a n c i n gp r e c i s i o no fh i 曲s p e e dm a c h i n i n g t o o l i n gs y s t e m c h a p t e r6 ：t h ea d v a n c e dd y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yo f h i g hs p e e d m a c h i n i n gt o o l i n gs y s t e m c h a p t e r7 ：s u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n di t sp r o s p e c t s t h e m a j o rc o n t r i b u t i o n s o f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h ed y n a m i cb a l a n c i n gp r i n c i p l eo ft h er i g i dr o t o r a n df l e x i b l er o t o r , t h ep r o b l e mo nj u d g i n gt h et o o l i n gs y s t e mi sr i g i dr o t o ro rf l e x i b l e 珏| 江苏大学硕士学位论交：高速加工工县系统的动平衡藏其应用基础研究 r o t o ri st h ee s s e n t i a lp r e m i s ei sp r o p o s e df i r s t l y 。 2 i t s y n t h e t i c a l l ya n a l y z e s v a r i o u s u n b a l a n c i n g f a c t o r si n d e s i g n i n g , m a n u 鼬g , a s s e m b l i n ga n du s i n go fh s kt o o l i n gs y s t e m , t h i sf a c t o r sa r ed i v i d e a i n t ot w oc a t e g o r i e s ：c e r t a i no n ea n du n c e r t a i no n e i tc o n t r i b u t e st ot h ed e s i g n i n g , m a n u f a c t u r i n g ，a s s e m b l i n ga n du s i n go f r i s kt o o l i n gs y s t e m 3 i ts y n t h e t i c a l l yc o m p a r e sv a r i o u sp e r f o r m a n c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s0 1 1t o o l i n g s y s t e mb a l a n c i n gt y p e ，l 嚣o p o s i n gt h er e a s o n a b l ea p p r o a c h e si na p p l y i n g , t h er e s u l t sc a n b eu s e di nt o o l i n gs y s t e md e s i g n i n ga n dr i g h t l yd e t e r m i n i n gd y n a m i cb a l a n c i n g k n o w - h o wo f t o o l i n gs y s t e m 4 t h ee x p e r i m e n tp r e l i m i n a r i l yr e v e a l st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eu n b a l a n c i n g o ft o o l i n gs y s t e ma n dt h ep r i n c i p a la x i so fh i g hs p e e dm a c h i n e ，t h es u r f a c eq u a l i t yo f c u t t i n gw o r k p i e c e ，p r e s e n t i n gr e a s o n sf o rd e t e r m i n i n gr i g h tc u t t i n gp a r a m e t e r so fh i g h s p e e dm a c h i n i n ga n dd e t e r m i n i n gt h er i g h td y n a m i cb a l a n c i n gp r e c i s i o ns c a l eo f t o o l i n g a x i ss y s t e m 5 i td i s c u s s e sv a r i o u sm e t h o d s o fc h o o s i n gd y n a m i cb a l a n c i n gp r e c i s i o ns c a l eo f l l i g hs p e e dm a c h i n i n g 。p r o p o s i n gt h ep r i n c i p l eo fd e t e r m i n i n gd y n a m i cb a l a n c i n g p r e c i s i o ns c a l e a tt h es a m et i m e ，r e g a r d i n gt o o l i n gs y s t e ma sf l e x i b l er o t o r , t h ee f f e c t o nd y n a m i cb a l a n c i n gp r e c i s i o ns c a l eb yt h ed i s t r i b u t i o no fu n b a l a n c i n gm a g n i t u d ei s i n v e s t i g a t e d 。t h ec a l c u l a t i n gm e t h o df o ra m e n d i n go r i g i n a lu n b a l a n c i n gm a g n i t u d ea n d b a l a n c i n gp r e c i s i o ns c a l ei sp r o p o s e dt o o t h ea c h i e v e m e n ti nt h er e s e a r c he n r i c h e sa n dd e v e l o p st h ed e s i g n i n gt h e o r ya n d a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dm a c h i n i n gt o o l i n gs y s t e m ，a n di ti so fg r e a t i m p o r t a n c ei nt h e o r ys i g n i f i c a t i o na n da p p l i e dv a l u ei nr i g h t l ya c t u a l i z i n gd y n a m i c b a l a n c i n gt oh i 曲s p e e dm a c h i n i n gt o o l i n gs y s t e ma n da d v a n c i n gq u a l i t ya n ds a f e t yo f h i g hs p e e dm a c h i n i n g t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a lk e yt e c h n o l o g i e sr & d p r o g r a mi nt h e 1 0 t hf i v e - y e a rp l a np r o j e c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft o o ls y s t e mi nh i g h s p e e dm a c h i n i n g ( g r a n tn o 2 0 0 1 b a 2 0 5 8 0 5 ) k e y w o r d s ：h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，h s kt o o l i n gs y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo f d y n a m i cb a l a n c i n g ，d y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g y ， b a l a n c i n g p r e c i s i o ns c a l e ，o n - l i n ea u t o m a t i cb a l a n c i n g i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密曰，在2 年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：予堀疹前 j 晰舌月，p 日 指导教师签名：卫南1 妹 皂“q 年6 月培日 y 1 0 1 6 1 0 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容p a # i - ，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：油疹孑侈 日期：2 0 0 4 年6 月，3 日 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章介绍了高速加工工程背景、特点及其关键技术，强调了工具系统在高速加工中 具有重要的作用，工具系统平衡技术是高速加工安全、可靠、稳定的重要保证，在对工具系 统动平衡技术在国内外研究现状分析的基础上，阐述了本课题研究的主要内容目标和技术 路线。 1 1 本课题研究的工程背景 1 1 1 高速加工特点及其关键技术 1 1 2 1 高速加工的背景 现代机械制造技术正朝着高速、精密、柔性、自动化的方向迅速发展，因此 产生了许多新的制造理念和加工技术。在加工技术方面，高速切削、精密加工、 微机械制造等技术已有了长足的发展，这些加工技术在诸多工程领域得到应用后， 使产品零件的制造质量、加工成本都得到极大的改善，也保证了现代产品设计的 高性能、短周期要求1 3 1 。 高速加工已成为现代制造加工技术中关键技术之一，是先进加工技术的重要 发展方向。高速加工技术在工业发达国家的汽车、航空、模具、光学仪器等制造 业中得到了广泛的应用，已产生了巨大的经济效益。而传统的制造业国家，开始 将高速切削视为推动经济发展的一项高新技术，竭力推广，因此高速加工在二十 一世纪制造技术中具有重要的地位和广阔的运用前景4 “。 高速加工( h s m - - h i g hs p e e dm a c h i n e ) 和高速切削( h s c - - h i g hs p e e d c u t t i n g ) 的提出源于1 9 2 9 年，德国科学家莎罗蒙( s a l o m o n ) 的铝铜切削实验及 其物理引伸，他通过加大圆盘铣刀的直径来得到较高的切削速度，从而进行相关 的高速切削实验研究，他指出在一定的切削速度范围内，由于过高的温度导致加 工无法进行( 这在美国被称为“死区”) ，而当切削速度超过这个范围时，切削速度再 增大，切削温度反而会降低，使高速切削得以顺利进行。 1 9 7 7 年，美国成功研制了第一台高频电主轴机床( 主轴最高转速达到 1 8 0 0 0 r p m ) ，开始了真正意义上的高速切削试验，实验结果表明，零件经高速切 江苏大学硕士学位论文：高速加工工具系统的动平衡及其应用基础研究 削后表面质量明显提高，高速切削过程中产生的切削热大部分被切屑带走了。 1 9 7 8 年，j f i ( 溘l l e $ 和m f i e l d 在c i r p 会议上以“高速切削可行性及其要求” 为主题探讨了高速切削发展的相关技术问题。此后近2 0 年来西方工业发达国家通 过一系列的开发研究计划，如美国d a r p a 发起的a m r p 计划和由德国b m f t 及 其工业界资助的有色及黑色合金的高速铣削研究工程，使高速切削的诸多技术均 得到了突破性的进展，在加工制造业得到广泛的应用。 然而，至今很难为高速切削作一个确切的数量确定，人们通常把切削速度比 常规高5 1 0 倍的切削称为高速切削，形象地说，可分为主轴高转速 ( 1 0 0 0 0 r m i n ) ，切削高线速度( i o o m m i n ) ，进给高速度( 2 0 m r a i n ) 。如 今高速切削在实际生产中切削铝合金的速度范围为1 5 0 0 5 5 0 0 m r a i n ，铸铁为 7 5 0 4 5 0 0 m m i n ，普通钢为6 0 0 8 0 0 m m i n ；切削进给速度已高达5 0 1 0 0 m m i n 。在 实验室，可实现对铝合金高达6 0 0 0 m m i n 以上的切削加工；机床进给系统的加速 度可达3g ，单层镀砂轮的磨削线速度达3 0 0 r i g s ，接近音速，并且切削线速度达 到1 0 0 0 0 m m i n 、磨削线速度达到和超过5 0 0 m s 的研究也正在艰难的探索之中。 未来的超高速切削技术将会达到音速和超音速【1 3 4 3 1 。 1 1 2 2 高速加工的特点及其应用领域 商速切削在切削加工中得到普遍应用，因为它具有以下一些重要特点】： ( 1 ) 加工效率高。一般比常规切削效率提高3 - - 6 倍，并且刀具耐用度提高 了7 0 以上。 ( 2 ) 工件热变形小。高速切削时绝大部分切削热来不及传给工件就被切屑迅 速带走，工件温升一般不超过3 c ，因此特别适合切削易热变形的零件材料。 ( 3 ) 切削力小。切削力至少可降低3 0 ，尤其是法向切削力可以大幅度下降， 特别有利于提高刚性差的零件的加工精度。 ( 4 ) 零件的加工表面质量明显提高。高速切削时，机床主轴转速很高，激振 频率远远高于共振区域的频率，因而不易产生振动，加工过程更加平稳，有利于 降低加工零件的表面粗糙度。 第一章绪论 附表高速加工技术的应用领域h 1 】 技术特点应用范围 应用实例 高的金属切除率和高的进给速加工铝、镁等轻金属合金、飞机和航空制造业，汽车制造工 度普通钢材及铸铁材料业中的发动机加工、模具制造业 获得很好的已加工表面质量，加工精密零件和特种精密表光学及仪器制造工业，精密机械 表面租糙度值很小面要求的零件 加工工业，螺旋压力机精密零件 加工薄壁类和薄板类工件， 飞行器与航空工业中的薄壁零 单位切削力小件，汽车工业与家用电器中的薄 加工刚性差的工件 板类零件 机床具有极高的强迫振荡频率加工复杂的且刚性差的零件 光学和精密制造工业 加工不耐热工件，加工对热 切削热绝大部分由切屑带走 精密机械工业，加工镁及合金 和温度十分敏感的零件 1 1 2 3高速加工的关铁技术 高速切削加工是一个复杂的系统工程，它是新材料技术、精密制造技术、控 制技术等多项新技术综合应用发展的结果，由机床、工具系统、工件、高速加工 工艺、切削过程监控及切削机理等诸多方面形成了高速切削技术的综合体系。从 技术层面分析，高速加工包括以下一些关键技术【1 3 4 4 】： 1 高性能的电主轴技术 高性能的电主轴是实现高速切削的基础，要求具有很高的转速及相应的功率 和扭矩。目前主轴转速在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n 的高速机床越来越普及，转速高达 1 0 0 0 0 0 r m i n ，2 0 0 0 0 0 f f m i n 的实用高速主轴也在研制开发中。高速主轴由于转速极 高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机 产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此，对高速主轴提出如下性 能要求： ( 1 ) 高转速和高转速范围：( 2 ) 足够的刚性和较高的回转精度；( 3 ) 良好的热稳定性：( 4 ) 大功率；( 5 ) 先进的润滑和冷却系统；( 6 ) 可靠的主轴 监测系统。 2 高速进给机构 高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，必然要求进给系统有与主 轴高转速相应的高速进给运动，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导 轨、滚珠丝杆、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且机床上直线运动 江苏大学硕士学位论文：高速加工工具系统的动平衡及其应用基础研究 行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加速度和和减速度才有意义。 为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措施：( 1 ) 采 用新型直线滚动导轨，其摩擦系数仅为槽式导轨的1 2 0 左右，爬行现象大大减少； ( 2 ) 高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杆，在保证传动精度的前提下， 可获得较高的进给速度和进给加速度、减速度；( 3 ) 高速进给伺服系统已发展为 数字化、智能化，控制性能越来越高；( 4 ) 直线电机具有高加速、减速特性，加 速度可达2 9 ，为传统驱动装置的1 0 2 0 倍，进给速度为传统的4 5 倍，并且可 以消除机械传动系统的间隙、弹性变形等问题。 1 1 2 高速加工工具系统及其要求 对于旋转类切削刀具而言，一套完整的工具系统应该包括刀片、刀体、刀杆、 月柄、使刀柄和主轴紧密结合的锁紧装置和其它附加的辅助装置。高速加工对工 具系统的性能要求有：( 1 ) 良好的静、动态刚性和定位精度；( 2 ) 和主轴有可 靠的联接形式、即满足高速加工的新型刀柄结构；( 3 ) 先进的刀片材料和良好的 抗冲击、抗疲劳性能；( 4 ) 合理的刀具切削几何参数和安全的刀片压紧结构：( 5 ) 整体结构上的动平衡性能和安全性能。 i i 2 1 工具系统的基奉要求 虽然高速切削技术得到了广泛的应用，但尚有许多为满足高速加工的需要， 工具系统必须有以下几个基本要求： 1 刀具材料必须具备优良的综合性能，包括与加工工件材料有较小的化学亲 和力、具有良好的抗冲击、抗热疲劳、热稳定性等。目前适宜高速加工的刀具主要 有涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼( c b n ) 刀具、聚晶金刚石( p c d ) 刀具等。 2 具有合理的刀具切削角度。因此需要研究在高速切削条件下，切削不同工 件材料的切削角度的变化规律。另外刀刃、刀尖结构的设计应保证其具备足够的 抗磨损能力，尤其是高速断续切削时，刀刃和刀尖因受冲击载荷的作用，易发生 脆性破损。 3 刀柄和主轴不仅具有良好的联接刚度、联接精度、足够的夹紧力和较高的 重复定位精度。还要和主轴的装卸之间( 通常所说的换刀) 能够简单、快捷，具 有手动和自动换刀两种形式，并且和主轴接口具有良好的互换性。 4 第一章绪论 1 1 2 2 新型高速加工工具系统和h s k 工具系统 目前在国际工具系统市场上影响比较大的高速加工工具系统有：德国开发的 h s k ( 德文h o h ls c h a f tk e g e l 的缩写，称为空心短锥柄) 工具系统；美国 k e n n a m e t a l ( 肯纳金属) 公司开发量k mt 具系统；日本日研( n i k k e n ) 公司 开发了n c 5 工具系统；日本大昭和精机开发的b i g p l u s 4 0 型系统；瑞典s a n d v i k ( 山特维克) 公司开发的c a p t 工具系统等。还有其他一些工具生产专业厂家， 比如三菱金属、富士精工等大型工具厂家，也各自开发出多种适应高速切削加工 需要的工具系统。 这些工具系统在接口形式、几何结构上各具特点，但共同特点是都采用了锥 面和端面同时夹紧的两面定位和夹紧形式，提高了与主轴联接刚度和重复定位精 度，都在一定程度上解决了传统的b t ( 7 ：2 4 锥度) 工具系统在高速加工中存在 的问题。 在众多的高速加工工具系统中，各国都普遍认为德国开发的h s kt 具系统性 能优良，具有动静刚度高，定位( 回转) 精度好、允许转速高( 使用转速1 5 0 0 0 4 0 0 0 0 转分) 等特点。h s k 工具系统首先应用于加工中心、数控镗铣床，并逐渐 扩大到各类车削中心、磨床中心、数控专机及数控n - r 自动生产线上，使用范围 几乎覆盖所有切削加工领域。对于工具的使用者来讲，希望能将工具系统多样化 的结构规范化、统一化，从而寻求一个通用型工具系统。德国为了推广h s k 工具 系统，于1 9 9 3 年制定了h s k 工具系统标准d i n 6 9 8 9 3 ，国际标准化组织在此基础 上，多次修改后，于2 0 0 1 年颁布了h s k 工具系统的正式标准i s 0 1 2 1 6 4 ，使其推 广应用更为普及。 本课题研究对象就是h s k 工具系统，当然研究的观点和成果也适用于以上众 多的高速加工工具系统，因此研究意义有普遍性。 1 1 2 3 工具系统的动平衡性能要求 由上面分析可知：无论何种类型的高速加工工具系统，具备了优良的综合性 能是高速加工实现的重要保证。因此设计和高速机床配套的工具系统时，必须根 据具体的高速切削加工条件，去选择和确定适宜的刀具材料，刀具切削几何参数、 工具系统合理的几何结构等等。在几何结构方面，高速j n t 不仅要求工具系统和 江苏大学硕士学位论文：高速加工工具系统的动平衡及其应用基础研究 主轴具有可靠的联接形式、联接精度、联接夹紧力，还对工具系统自身的静、动 态刚性、动平衡性也提出了相当高的要求 4 0 4 2 1 。 如果工具系统存在不平衡量，高速旋转时会产生离心力，造成整个加工工艺 系统产生振动，降低和主轴的联接刚度和定位精度，影响加工零件表面质量，同 时降低了高速切削刀刃的抗弯强度和断裂韧性，因此对安装在高速主轴上的旋转 类刀具( 包括砂轮) 来说，保证整体工具系统的结构安全性和高精度动平衡是至 关重要的。 从平衡精度要求的角度来说，一般对小直径刀具的动平衡要求不严格，对大 直径、盘类刀具、悬臂较长的刀具必须实施相应的动平衡处理。 从装配的角度来说，工具系统和主轴系统一样。可以作为一个独立单元。所 以视工具系统作为主轴一刀具系统的个子系统，工具系统具有良好的动平衡性 是保证主轴一刀具系统有良好的动平衡性和回转精度的一个重要环节。现代高速 加工机床所用的主轴系统已有制造厂家经过专门严格的动平衡，所以主轴一工具 系统的不平衡主要是由于工具系统的不平衡引起的，当然最终需要对主轴一工具 系统一起进行平衡处理【l 】。 1 2 本课题相关技术及其国内外研究现状 1 2 1 高速加工工具系统动平衡相关技术 所谓平衡就是根据转子一支承系统的动力学特性，并通过测量转子一支承系 统有关测点振动与转速同频分量的幅值大小和相位信息来判断不平衡大小和位 置，以便采取措施进行平衡的- i j 技术，它包括对旋转机械的零部件、平面或空 间机构的平衡，也包括整机和机组的平衡。平衡技术即涉及到平衡原理、平衡方 法、平衡工艺，也包括平衡机( 仪) 的设计和制造技术【2 0 】。可见，平衡技术本身 综合了机械振动、平衡理论、传感器及其检测、信号处理、自动控制、计算机技 术等学科。因此，需要应用以上各个学科上的理论，去解决高速加工中工具系统 的动平衡问题，最终来保证高速加工的质量和效果。 1 2 2 高速加工工具系统动平衡技术国外研究现状 高速切削加工技术在国外较为普及，工业发达国家于8 0 年代开始研究、开 6 第一章绪论 发适用于高速、高精度加工的工具系统，近几年来，对适应高速加工的工具系统 及其相关技术的研究较为深入，在工具系统动平衡理论和平衡技术方面，主要取 得了如下成果： 1 提出了在高速加工中，工具系统实施动平衡技术的必要性和重要性，提出 有关工具系统动平衡的研究方法【l 】，采取实验方法，研究了工具系统的不平衡量 和切削振动、加工零件表面质量、刀具磨损等诸多工艺系统方面之间的量化关系， 为高速工具系统平衡精度的设计提供理论指导。 2 在工具系统实际平衡技术方面，国外很多专业工具厂家取得了大量成果， 简单举例如下：一、日本大昭和精机推出一种可进行自动平衡补偿的镗头，不仅 可以提高镗削速度，也保证了加工工件具有良好和稳定的加工精度。二、以色利 i s c a r 公司在刀具模块化设计理念的基础上，将动平衡装置作为一个快换模块， 适合于钻削、镗削、铣削等工具系统。三、瑞典s a n d v ( ( 山特维克) 、德国 s c h u n k ( 雄克) ，台湾耐久等专业刀具厂家均能制造带自动平衡环( 块) 的高 速工具系统。四、研制了工具系统专用动平衡机( 仪) ，如德国s c h e n c k 公司 生产的t o o l d y n es h l 0 专用动平衡机，可以对数控机床、力n - r , 心等机床上使用 的刀具进行动平衡，机型已经系列化，商品化。 3 国外已经将转予在线自动平衡补偿技术运用到工具一主轴系统的设计、使 用方面：比如美国k e n n a m e t a l ( 肯纳金属) 公司开发出的磁力式自动平衡装 置，是一种较为先进的工具一主轴在线动平衡系统，可以对工具一主轴系统存在 的各种因素引起的不平衡量进行自动调节，保证工具一主轴运行具有良好的动平 衡性能。 可见，正因为高速加工给制造业带来了巨大的经济效益，国外对工具系统的 研发投入了大量的人力和财力，除了采用先进的方法对工具系统结构和几何精度 进行精心设计外，也正在积极制定工具系统动平衡精度的有关标准，以此来规范 工具系统动平衡精度的设计和制造，保证了工具系统配套在高速机床中具有真正 的互换性，也为高速加工的推广普及提供了坚实的基础。 1 2 3 高速加工工具系统动平衡技术国内研究现状 产品质量主要取决于设计质量和制造质量，而设计水平又往往受到制造技术 水平的制约，尤其是机械产品，我国总体工艺水平仍处于较落后的状态，且往往 7 江苏大学硕士学位论文：高速加工工具系统的动平衡及其应用基础研究 被人们所忽视。是导致我国机械产品质量一直上不去的主要原因之一。我国高速 切削技术研究较晚，直至2 0 世纪8 0 年代中期，当高速切削技术在国外工业和生 产中不断得到应用的时候，我国才注意到其巨大的发展潜力和应用前景，并着手 开始研究，当然很大程度上在于我国高速切削的相关技术，如高速机床结构、刀 具材料、刀具整体结构和动平衡的研究滞后引起的。 近年来，随着高速机床不断引进和消化，国内对高速切削和相关技术的理论 和运用技术的研究逐渐增多，如清华大学、山东大学、北京航空航天大学、上海 交通大学、成都工具研究所等单位都在研究高速切削及其相关技术，其中在刀具 综合技术( 材料、结构、涂层、联接、自动换刀、监控等) 的研究领域上，都强 调了工具自身动平衡的重要性【3 3 3 4 3 6 3 矾。 北京理工大学提出了用合理的刀具结构来减少工具系统的不平衡量，指出了 刀柄和主轴的配合精度对工具系统动平衡的影响较大，并把工具系统的动平衡问 题提升到主轴平衡系统，研制了一种自动在线平衡的刀具一主轴系统模型，把自 动平衡装置视作一个模块，也可运用到其它高速机械场合，如c b n 砂轮的磨床、 车削加工中心等，有一定的学术高度和运用价值 3 7 】。 因此，高速加工及其相关技术的发展为我们提出了许多新的课题，亟待需要 大力引进和消化国外先进的关键技术。在高速加工工具系统动平衡技术方面，必 须去研究有关转予动平衡理论在工具系统上的合理应用，建立和寻找可靠、适用 的工具系统动平衡技术和应用工艺。 1 3 本课题研究的目标和主要内容 1 3 1 本课题研究的目标 我国在数控机床高速精密加工工具系统领域的研究工作起步较迟。成都工具 研究所( 国家精密工具工程技术中心) “九五”期间承担了国家重点科技攻关专题 数控机床工具系统工程化技术的开发研究( 编号：9 7 7 7 6 0 3 0 6 0 1 ) ，主要 是引进h s k 刀柄的制造标准，开发了相应加工工艺，并据此制造出了h s k 刀柄 及部分检测设备，填补了国内空白。在这些研究成果的基础上，从2 0 0 1 年起， 由成都工具研究所和江苏大学等8 家单位共同承担了国家科技攻关计划高速加 工工具系统的开发与应用课题( 编号：2 0 0 1 b a 2 0 5 8 0 5 ) 研究工作，其中高速 8 第一章绪论 精密加工工具系统的基础共性技术子课题的主要由江苏大学承担，而工具系统 的动平衡基础研究是此子课题中重要的一部分。 在王贵成、王树林两位教授负责研究高速精密加工工具系统的基础共性技 术子课题过程中，本人参与了h s k 工具系统动平衡研究工作，在导师们的 指导下，确定了研究思路和研究方向，在分析h s k 工具系统产生不平衡因素来源 的基础上，研究了h s ki 具系统动平衡相关理论和方法，通过实验去揭示h s k 工具系统的动平衡和加工工艺系统、加工零件表面质量之间的内在规律，从而为 h s k 的设计、制造、使用提供了理论指导。 1 3 2 本课题研究的内容和技术路线 针对国内在高工加工工具系统动平衡技术研究中存在的不足，本课题拟在如 下方面系统地开展研究工作： 1 运用回转子动平衡原理有关理论知识，认识了工具系统作为一种典型的轴 类转子，区分其作为刚性转子还是挠性转子，是实施不同平衡技术的关键。 2 系统地分析了h s k 工具系统产生动不平衡的诸多因素，并指出影响实施 动平衡技术效果的主要因素，全面提出了针对h s k 工具系统的平衡方法。 3 在实验的基础上，找出高速加工工具系统的不平衡量对工艺系统各个方面 产生影响的量化关系，初步揭示动平衡和切削性能之间的基本规律。 4 ，提出了合理地确定高速加工工具系统动平衡精度等级原则，这对实际使用 具有重要的指导意义。 5 分析了工具系统动不平衡量的各种离线、在线检测方法和先进的自动平衡 技术的工作原理、特点和运用场合。 本课题在确定研究内容和目标后，结合现有的研究条件，在系统分析的基础 上，提出研究思路，制订试验方案，用得到的试验数据进行验证和相关补充，进