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高转速木工刀具动平衡及其修正技术


 

随着木材加工行业及木工机械的迅速发展,对木工刀具的需求越来越大,同时对其质量及加工精度的要求也越来越高。木工刀具种类繁多,且各类刀具的质量参差不齐,主要原因是缺少相应的刀具检测标准。在刀具制造及检测过程中,最容易出错和忽略的就是刀具的动平衡对其产生的影响,为了保证刀具产品的质量稳定性以及刀具使用过程中的人身安全,在木工刀具加工过程中进行动平衡检测和修正是一个必不可少的环节。

1 高转速木工刀具平衡原理

木工刀具加工的特点是高速切削,刀具的回转速度一般在3 000 r/min以上,最高的甚至可以达到25 000 r/min。高速切削为木材加工带来了较高的生产效率,工件的表面光洁性也较好,但对木工刀具工作过程中的稳定性要求非常高[1-2]。影响木工刀具稳定性的因素除刀具的制造精度、刃口跳动、刀具和刀轴的配合精度及机床与工件的振动外,刀具本身的动平衡对稳定性的影响也非常大。木工刀具不平衡主要分为静不平衡、力偶不平衡和动不平衡三个方面。其中,静不平衡主要是刀具中心与转轴中心公差过大引起的不平衡;力偶不平衡是刀具在转动过程中产生倾斜力矩引起的不平衡;动不平衡则是静态不平衡和力偶不平衡的组合形式。

 

1.1 动平衡的品质等级

GB/T 9239-2006规定了测量动平衡的原则,动平衡精度采用平衡品质等级G来表示[3-4]。

根据木工刀具的平衡品质等级、刀具转速和刀具质量可以计算出允许的剩余不平衡量,其公式为:

 

式中:U为允许的剩余不平衡量(gmm);G为 平衡品质等级;M为木工刀具质量(kg);N为木工刀具的工作转速(r/min);9549 为测量单元转换后所产生的常数因子。

例如:某木工刀具总质量为1.0 kg,使用木工刀具的转速N = 12 000 r/min,木工刀具的平衡质量等级G= 6.3,允许的剩余不平衡量U=5 gmm,则许用剩余不平衡量如图1所示。

 

 

1.2 木工刀具动平衡可达到的精度

上述例子得到允许的剩余不平衡量为5 gmm。为了说明这个值的有效性,必须将不平衡量转换成偏心率。

U=Me

(1)

 

(2)

式中:U为允许的剩余不平衡量(gmm);e为允许偏心率;M为木工刀具质量(g)。

因此,上例中木工刀具中心最多可以偏移 5 μm。

 

2 木工刀具不平衡的原因

2.1 设计原因

设计刀具时采用的是非对称结构,如刀片容屑槽、刀刃的分布位置,以及焊接合金和刀具材料不均匀(如刀具材料存在气孔、杂质、裂纹、元素含量不均匀缺陷)等因素,都将导致刀体的质量分布不均匀,使其在运行时出现不平衡的问题。

2.2 制造原因

木工刀具制造过程中出现的误差会导致刀具的质量分布不均匀,如刀具的尺寸误差、形位误差,刃口跳动、孔偏心,铣槽的非对称性、槽深不同,加工刀具的磨损等;特别是连接件螺纹、键槽、刀片的装夹等环节出现动不平衡的情况最常见。

2.3 主轴不平衡

木工刀具使用设备的主轴不平衡主要有其装配过程中产生的不平衡,主轴本身精度低及非均匀磨损引起的不平衡。

2.4 其他不平衡

主轴高速旋转时,木工刀具和主轴的配合处受到离心力的作用会产生变形,主轴孔在高速转动过程中的膨胀量大于刀柄的膨胀量可引起刀具定位不精确;刀轴与刀具之间的接触面上有污染物以及刀具安装精度低均会引起刀具倾斜,从而导致刀具运行时不平衡。

 

3 木工刀具动平衡要求及等级标准

3.1 动平衡要求

(1)装配后刀具应作为一个完整的部件或单独的刀具进行动平衡。

(2)带键的刀具进行动平衡时应将键拆下。

(3)动平衡去重钻头应尽量选用3~6 mm直径的钻头,每把刀具钻孔数量不宜超过3个,同一个孔的深度应控制在5 mm以内。

(4)刀具动平衡钻头钻孔去重时不能在影响刀具强度的位置钻孔,也不能在合金焊接缝的背面钻孔。

3.2 动平衡品质等级要求

(1)整体刀具、焊接刀具和装配刀具的刀体(除木工平刨床和平压两用木工刨床上的刀体外)平衡品质等级应达到GB/T 9239-2006中的G16级要求。

(2)木工平刨床和平压两用木工刨床上的刀体平衡品质应达到GB/T 9239-2006中的G6.3级要求。

(3)装配式木工刀具的平衡品质应达到GB/T 9239-2006中的G40级要求。

(4)组合刀具应按规定进行平衡,如果一组合刀具包括装配刀具和焊接刀具,其平衡精度应达到GB/T 9239-2006中的G40级要求。

 

4 木工刀具动平衡机

平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器。转子在围绕其轴线旋转时,由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力,该离心力作用在转子轴承上会引起振动并产生噪声,加速轴承磨损,严重影响产品的性能和使用寿命。根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正,可以改善其相对于轴线的质量分布,使旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力降低到允许的范围内。目前,国内木工刀具生产企业所使用的动平衡机主要有两种,一种是如图2所示的平衡机,其结构相对简单,平衡较准精度较低,无法对一些较小的刀具进行平衡处理;另一种是以德国HAIMER公司为代表生产的高精度动平衡机,如图3所示,其动平衡测量精度可达到0.5 gmm,即平衡品质等级能够达到G0.4。这种设备操作简单,每次测出的不平衡点均可以由激光显示出不平衡位置,但由于其价格昂贵,国内只有少数几个木工刀具生产企业在使用。

 

 

5 木工刀具动平衡的修正技术

木工刀具动平衡修正技术包括不平衡量的测量和修正两个方面,平衡机主要用于不平衡量的测量,而不平衡量的修正需要借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备,或采用手工方法完成,有些平衡机已经将修正装置做成平衡机的一部分。下面以德国HAIMER动平衡机为例,简单介绍木工刀具动平衡检测及修正方法。

5.1 不平衡量测量

(1)将刀具夹持在刀柄转换套的心轴上,装入平衡机主轴并盖上防护罩。

(2)在对话框输入被测刀具的动平衡质量等级G、刀具使用时的转速、刀具的质量、修正方法等参数,如图4所示。

(3)调用“测量运行”菜单进行刀具不平衡量的测量,测量出的不平衡量等数据可直观地显示在对话框内。

5.2 不平衡修正

不平衡的修正补偿取决于所选择的动平衡方法,木工刀具大多采用钻孔去重的方法进行修正,根据提示选择合适直径的钻头并在需要去重的位置进行钻孔修正。图5为经动平衡修正后的木工刀具。

 

 

6 结束语

木工刀具的动平衡及修正技术能够有效地控制刀具的不平衡量,也是研发和推广应用木材高速切削刀具技术的必要前提和配套技术。理论上刀具可以获得完美的动平衡,但实际生产中需要考虑成本及刀具的限制等因素,所以刀具的动平衡品质等级应设置在合理的范围内。

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