HSK工具系统动不平衡量的检测

仪器仪表与检测

HSK 工具系统动不平衡量的检测

D 沈春根 王树林 王贵成

衡精度，比照实测的动不平衡量，判断其动平衡性能。关键词：HSK 工具系统 许用不平衡量 动平衡检测

中图分类号：TB93 文献标识码：B 文章编号：1671—3133（2004）06—0070—03

摘要 分析HSK 工具系统存在动不平衡的因素，计算其工况转速下的许用不平衡量，作为HSK 工具系统设计制造的平

Measuring the dynamic unbalancing magnitude of the HSK tool system

wang Shulin ，wang Guicheng D Shen Chungen ，

Abstract Anaiyses the factors about the dynamic unbaiancing of HSK tooi system ，caicuiates its permission dynamic unbaiancing magnitude in its working condition ，regarding it as baiancing accuracy of designing HSK tooi system ，according to the practicai dy-namic unbaiancing magnitude ，then judges its dynamic baiancing performance.

Key words ：HSK tool system Permission dynamic unbalancing magnitude Dynamic balancing measuring

HSK 刀柄具有短圆锥（锥度1110）和端面同时与主轴配合的双定位特殊结构，保证了重复定位精度高，静、动态联接刚度好，迎合了高速加工工艺的需要，逐渐成为加工中心和高速机床配套刀具的主流。设计时除了对HSK 工具系统提出各项制造精度要求外，平衡精度作为一项重要的检测项目，越来越为设计制造和使用厂家所接受。如果在较高工作转速下，HSK 工具系统存在动不平衡量，切削过程中会产生尖叫噪声和振动，对主轴支承造成附加动载荷，并且振动会通过主轴、滑台、床身、工作台等传递，最终影响到加工零件的质量。因此，HSK 工具系统的工况转速达到3000r /min 以上时，需要对它进行不平衡检测和相应平衡工艺处理。

地方设计了不对称结构：图1中3、6两处为单侧结构，7为内冷却通孔，轴向尺寸较长，容易钻偏，并且通孔中心线按要求和锥柄轴心线有偏心距，这些是造成其主惯性轴线偏离旋转轴心线的主要原因。

2. 图1中1设置了主轴传递扭矩用的锥柄端面键槽，虽然左、右各一个，为了满足特殊的安装需要，它们的键槽深度不同。

3. 许多地方结构虽然对称，但制造工艺较难保证它们有良好的对称度，如2、5两处和刀片9的定位槽、压紧螺钉8的螺纹孔等。

4. 刀柄和主轴配合的拉紧装置中各个零件除了要求有良好的刚性外，需要保证结构对称、加工精度高，

否则会产生不平衡因素。

一、HSK 工具系统产生动不平衡因素分析

HSK 工具系统作为高速回转的精密组件，包括HSK 刀柄、刀杆、刀片以及使刀柄和主轴紧密配合的拉紧装置等，造成HSK 工具系统产生不平衡的因素较多，存在于整个工具系统的设计、制造、装配、使用各个环节中，并且HSK 工具系统型号规格较多，从尺寸角度分A 、B 、C 、D 、E 、F 等六种型号；从装夹角度分手动和自动两种形式；刀柄和刀杆的联接形式有：整体式、键槽联接、螺纹联接、弹性夹头联接等，显然不同的结构形式，产生不平衡的因素有所区别。

下面以生产中常用的HSK-A 型（见图1）工具系统为例，分析HSK 工具系统存在不平衡的主要因素。

1. HSK 工具系统为了满足特定的功能要求，局部

图1 整体式HSK-A 型工具系统结构

1. 传力键槽 2. 手动夹紧工艺孔 3. 刀库编码孔4. 机械手夹持V 型槽 5. 工艺键槽 6. 工艺沟槽

7. 内冷却通孔 8. 刀片压紧螺钉 9. 刀片

这些因素在工况转速为3000r /min 以下时，对工具—主轴系统的使用性能影响不大，但在高速时不能忽略对加工工艺系统的负面影响，所以在HSK 工具系统设计、制造、装配时均须考虑到这些不平衡因素，尽可能消除这些不利因素。

国家科技部科技攻关课题（2001BA205B05）资助

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现代制造工程2004（6）

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二、HSK 工具系统许用不平衡量的计算

衡量HSK 工具系统动平衡性能的指标就是平衡精度，设计平衡精度时一定要考虑如下两个方面：1）现有平衡机（仪）的检测精度，包括专用的和通用的，能够检测到最小剩余不平衡量的能力；2）现有平衡校正和补偿的能力，包括手动、半自动、自动等方法能够将不平衡量补偿到最小的能力。保证HSK 工具系统平衡精度的实质就是要求检测到的实际剩余不平衡量不超过其工况转速下的许用不平衡量。

达到最小，并且保证每个校正面上检测得到的剩余不平衡量小于检测许用不平衡量的一半。

三、HSK 工具系统动不平衡量的检测

考虑国内一般情况，在没有专用工具动平衡机（仪）的前提下，笔者提出借用通用动平衡机（仪）的方案，对各种型号的HSK 工具系统进行动平衡检测。

1. 动平衡机选择

本文从离线检测方案出发，根据一般情况选择通用动平衡机，从平衡精度和平衡转速考虑，可以选择通目前条件下可以将HSK 工具系统视作一个刚性转子，对照ISo1940国际标准中规定的刚性转子平衡精度等级要求，一般将G6. 3或G2. 5作为设计HSK 工具系统的平衡精度等级，因此，可以按照下面的公式计算出质量为M （单位kg ）的工具系统在某个工况转速I （单位r /min ）下的许用不平衡量%U per ：

%U per =30000GM /I

!!!!!!!!!! （1）

式中，G 为转子的平衡精度等级单位（mm /S ）。计算出的%U per （单位g ・mm ）大小就是HSK 工具

系统设计者提出的在工况转速下的平衡精度，可以作为技术要求标注在HSK 工具系统的装配图上。考虑目前不平衡量检测时的平衡转速一般在1600~2400r /min 之间，所以在检测中比照数值时，需要对式（1）计算出的不平衡量按照平衡精度等级列线图来换算成检测时的许用不平衡量。

当然对HSK 工具系统进行平衡检测和平衡校正时，还必须针对其具体结构，主要是根据整个工具系统轴向尺寸大小，判断HSK 工具系统属于单面平衡（静平衡），还是属于双面平衡（动平衡）。

1. 单面平衡

如果HSK 工具系统轴向尺寸较短，不超过刀柄锥面长度的2~3倍，包括常见的HSK 盘形刀具，实施单面静平衡就能满足平衡要求，平衡校正面选择在HSK 工具V 形槽内，采用钻孔（数量多，深度小）去重的方法进行平衡，最后检测得到的剩余不平衡量必须小于换算出的检测许用不平衡量。若空间允许，也可以安装一个带刻度的平衡调节环，进行相应的平衡调整。

2. 双面平衡

轴向尺寸较长的HSK 工具系统，超过了锥柄长度的3倍以上，应视作双面动平衡，主要是选择好合理的两个校正平面，一般在刀杆校正面上安装两个带刻度的平衡调节环，其安装距离尽可能远。先在平衡机上初步检测出不平衡量，按照大小分别调整两个平衡环进行补偿，多次检测和调整，直至检测出剩余不平衡量

现代制造工程!""#（$）

用软支承平衡机，用皮圈驱动方式使被检测的HSK 工具系统旋转，平衡转速选择在1600r /min 以上，最小可达剩余不平衡量e min 选择0. 5~1g. mm /kg 之间。

2. 安装方案

综合动平衡机的支承方式和HSK 工具系统具体结构，确定合理的安装方式是保证检测动不平衡量精度的关键，图2为HSK 工具系统动平衡检测安装示意图，由于HSK 工具系统属于锥面和端面同时和主轴配合的双面定位结构，锥面和端面的间隙对其动态刚度影响较大，设计HSK 工具系统平衡检测安装结构时，必须考虑让安装套筒和HSK 工具系统具有合理的配合间隙，拉紧力要和HSK 工具系统工况夹紧力相接近，另外，保证安装套筒和拉紧部件本身有良好的制造

精度和尽可能高的平衡精度。

图2 HSK 工具系统动平衡检测安装

1. 拉紧装置 2、6. 支承座 3. 安装套筒4. HSK 工具系统 5、7. 平衡调节环

3. 实验结果

本试验采用重量为2. 5kg ，按G6. 3平衡精度等级设计的整体式HSK 刀具（使用工况转速为15000r /min ），在平衡转速为1600r /min 时初次检测的不平衡量为185g ・mm ，经过多次去重平衡，最后检测的不平衡量达到15g ・mm ，如果按式（1）计算，结果完全达到设计平衡精度要求。在高速机床上，采用不同不平衡量的HSK 刀具去切削Zl106工件，在主轴套筒下端安装好三向加速度传感器，去采集切削过程中的振动信号，经过振动测试仪和专用软件进行处理。

试验结果如图3所示，其中X 指主轴轴向，Y 指主

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基于VB 对“慧鱼模型”远程控制的实现

D 华 蕊 唐东炜 谭伟潦 安 军

摘要 针对德国慧鱼公司的“慧鱼创意组合模型”建立了远程控制系统，详细介绍在VisuaI Basic 6. 0开发平台上设计的远程控制软件，分析Winsock 控件的使用技巧，为研究仪器设备的远程控制奠定基础。关键词：远程控制 Visual Basic 慧鱼模型 网络

中图分类号：TK267 文献标识码：A 文章编号：1671—3133（2004）06—0072—03

本文介绍的是基于VisuaI Basic 6. 0（简称：VB ）开发的对“慧鱼模型”实现远程控制系统。该系统通过VB 的Winsock 控件实时地传输控制信息和反馈信息，实现对模型的正确控制。文中详细叙述了远程控制系统的组成、远程控制软件的编制，以及Winsock 、Mscomm 控件使用技巧等内容。

“慧鱼模型”的远程控制。系统主要由具有创新意义的“慧鱼模型”、计算机、网络设备等组成。

1. “慧鱼模型”的创新设计

“慧鱼创意组合模型”（fischertechnik ）是德国慧鱼公司产品之一，该模型是工程技术模型，能够展示科学原理和技术过程，为工厂、学校、研究设计院等单位设计工业自动化机器提供模拟和示范作用。慧鱼模型组件的类型涉及很广，有：机械工程方面（齿轮、轴、蜗轮蜗杆等）、液压和气动方面、环保方面等；

同时每套模

3. 经过平衡检测和相应平衡处理后的HSK 工具系统的切削加工性能具有明显好转。

参 考 文 献1 Weck ，M. New interface

machine

tooI ：hoIIow

shank. AnnaIs of the CIRP ，1994，43（1）2 Rivin ，Eugene I. TooIing

structure ：Interface be-tween cutting edge and machine tooI. CIRP An-naIs ，

Manufacturing

一、远程控制系统的组成

本文所述的远程控制系统是依托于网络实现对

图3 HSK 切削过程振动频谱图

TechnoIogy ，2000，49（2）

spindIe system. CIRP AnnaIs ，Manufacturing TechnoIogy ，1998，47（1）

轴切向，! 指主轴径向，在对应工况转速的振动频率250Hz 上，比较不同不平衡量的HSK 刀具引起的切削振动有明显区别。

3 SchuIz ，H. BaIancing reguirements for fast rotating tooIs and

4 王汉英，张再实，徐锡林. 转子平衡技术与平衡机. 北京：机

四、结论

1. 设计HSK 工具系统时必须考虑不平衡因素对其使用性能和加工工艺系统的影响。

2. 本实验采用的HSK 工具系统动平衡检测思路和平衡方法在生产实践中是可行的。72

械工业出版社，1988

作者简介：沈春根，硕士，讲师。从事机械制造工程方面的教学和

科研工作。

作者通讯地址：江苏大学工业中心（镇江212013）E -maiI ：chungens@163. com 收稿日期：20030716

现代制造工程2004（6）