IS0 1940《剛性轉子的動平衡質量要求》標準規定,一個轉子的不平衡量(或稱殘留不平衡量)用U表示(單位為gmm),U值可在平衡機上測得;某一轉子允許的不平衡量(或稱允許殘留不平衡量)用Uper表示。從實際平衡效果考慮,通常轉子的質量m(kg)越大,其允許殘留不平衡量也越大。為對轉子的平衡質量進行相對比較,可用單位質量殘留不平衡量e表示,即e=U/m(gmm/kg),相應地即有eper=Uper/m。U和e是轉子本身對於給定迴轉軸所具有的靜態(或稱准動態)特性,可定量表示轉子的不平衡程度。從准動態的角度看,一個用U、e和m值表示其靜態特性的轉子完全等效於一個質量為m(kg)、且其重心與迴轉中心的偏心距為e(μm)的不平衡轉子,而U值則為轉子質量m(kg)與偏心距e(μm)的乘積。因此,也可將e稱為殘留偏心量,這是e的一個很有用的物理含義。
實際上,一個轉子平衡質量的優劣是一個動態概念,它與使用的轉速有關。如ISO 1940標準給出的平衡質量等級圖上一組離散的標有G值的45°斜線表示不同的平衡質量等級,其數值為eper(gmm/kg)與角速度ω(rad/s)的乘積(單位為mm/s),用於表示一個轉子平衡質量的優劣。例如,某個轉子的平衡質量等級G=6.3,表示該轉子的e值與使用時ω值的乘積應小於或等於6.3。使用時,可根據要求的平衡質量等級G及轉子可能使用的最大轉速,從圖上查出轉子允許的eper值,再乘以轉子質量,即可求出該轉子允許的不平衡量。
接下來的問題是如何確定高速旋轉刀具的合理平衡質量等級G,從而得出在最高使用轉速下要求的Uper值。
3.合理平衡質量等級的確定
為了確定高速旋轉刀具統一的合理平衡質量等級G,由德國政府和機器製造商協會(VDMA)所屬精密工具專業委員會牽頭成立了工作組,將刀具動平衡技術作為一個「要求公開」的項目進行了系統研究。研究組的成員來自相關行業及技術領域,如刀具、機床和平衡機製造行業、用戶行業、大學和研究機構等。根據他們的研究結果,提出了「高速旋轉刀具系統平衡要求」的指導性規範(FMK—Richtlinie)。
該規範有三個要點:
(1)認為對刀具平衡質量等級的要求是由上限值和下限值界定的一個範圍,大於上限值時刀具的不平衡量將對加工帶來負面影響,而小於下限值則表明不平衡量要求過嚴,這在技術和經濟上既不合理且無必要。
(2)以主軸軸承動態載荷的大小作為刀具平衡質量的評價尺度,並規定以G16作為統一的上限值。由於切削加工條件以及影響加工效果因素的多樣性,以加工效果的好壞作為刀具平衡的評價尺度並不能普遍適用,而因刀具不平衡引起的主軸軸承動態載荷的大小則是與不平衡量直接相關的參數,因此提出以主軸軸承動態載荷的大小作為制定統一平衡要求的依據。
根據VDI加56(DIN/ISO10816)「機械振動評定標準」的規定,可將使主軸軸承產生最大振動速度(1~2.8mm/s)的不平衡量作為刀具系統允許不平衡量的上限值。當以lmm/s或2.8mm/s的振動速度作為評價尺度時,不同重量的HSK一63刀柄在一定轉速範圍內所允許的平衡質量等級G的上限值(三條曲線b)表明,G的上限值與刀具的質量、轉速和選定的機床主軸振動速度有關,且分散在一個較大範圍內。工作組選取振動速度1.2mm/S、2mm/s、轉速範圍10000~40000r/min、重量0.5~10kg的不同規格HSK刀柄,計算出27個G的上限值,其中最大G值達201,最小G值僅為9。