刀柄和刀具的平衡

    机床用户经常听说，必须对自己使用的刀柄进行平衡，但他们不清楚这种说法是否正确。如果不对刀柄进行平衡，会损坏机床或工件吗？正确的问题不是“应该对刀具和刀柄进行平衡吗？”而是“何时应对刀具和刀柄进行平衡？”
    让我们首先解释一下不平衡性。在机床主轴中，存在许多回转部件，包括主轴本身，如果电动机没有与主轴集成到一起，就还包括电动机的转子、齿轮或滑轮等。在铣削加工中，则有刀柄、刀具、拉杆（拉钉）、夹头和一组贝勒维尔垫圈。在车削加工中，工件也是回转部件，可能还包括夹持装置（如卡盘爪）。
    所有这些部件都是人类制造和装配的，因此并非尽善尽美。装配后的回转体的质量中心与回转中心（由支撑回转体的主轴轴承所确定）并不是同一个中心。产生的净影响就相当于附加了一个偏离主轴中心的质量一样。不平衡质量的大小以及它与回转中心的距离发挥着同样的作用，因此通常将它们归类到一起。不平衡量可用克×毫米（gmm）或盎司×英寸（oz.in.）来表示。
    在大多数情况下，用户都不具备调整主轴平衡的能力。如果有这种能力，则需要同时调整刀柄和主轴的平衡。允许的不平衡量U用下式计算：
    U（gmm）=（G×9,549×W）/rpm
    式中，G为平衡等级，9,549是与单位一致的参数，W为回转物体的质量（公斤），rpm为主轴转速。
    平衡等级G取决于加工要求。例如，一般来说，通用机床的平衡等级为G6.3，高速加工机床为G2.5，精密加工机床为G1.0。允许的不平衡量U主要取决于被平衡物体的质量，对于刀具、刀具与刀柄，以及装配好的整个主轴，U值的计算结果都不相同。
    对于不同的加工机床而言，一个更重要的考虑因素是：由回转不平衡量产生的力是否占到了由切削加工产生的力中可观的一部分。所有的力，无论是切削力还是不平衡力，都必须由轴承以及刀具与主轴之间的联接环节来承受。在粗加工中，切削力可能会高达几百牛顿，几牛顿的不平衡力就无关紧要。但是，在精加工中，切削力仅为几分之一牛顿，同样的不平衡力就是一个大问题。因此，不平衡力应该如何计算呢？不平衡力F的计算公式为：
    F=meω²
    式中，m为不平衡质量，e是偏心量（不平衡质量到回转中心的距离），ω为主轴转速。
    不平衡力F随着主轴转速ω的平方而增大。如果主轴转速提高一倍，由回转不平衡量产生的不平衡力就会增大4倍。例如，刀具和刀柄的不平衡量为5gmm，当主轴转速为5,000rpm时，所产生的不平衡力为1.37牛顿。当主轴转速为40,000rpm时，同样的刀具和刀柄产生的不平衡力为87.7牛顿。
    通过平衡减小不平衡力可获益良多，但平衡操作也需要付出成本。车间或者需要购买一台平衡机，或者需要为外协平衡服务付费。可平衡刀柄上通常有一个或多个配重环，通过调整其位置，就可以改变平衡状态。与普通刀柄相比，这种刀柄的价格更贵，并且刀柄上需要有额外的长度来容纳配重环，而增加刀柄的长度会减小其刚度，通常还会降低其可达到的金属去除率。
    确定是否需要对刀柄进行平衡的一种有效策略是将不平衡力与切削力进行比较。如果不平衡力达到切削力的5%以上，就值得改进其平衡状态。一般来说，对于主轴转速较低的机床，平衡的重要性相对较小，而高速切削机床的平衡问题则重要得多。即使使用高速机床，许多车间也可以采用预平衡刀柄和预平衡刀具来解决平衡问题。不过，对于非常精密和转速很高的加工，仍然需要对装配好的刀柄和刀具进行平衡操作。