CN101832839B - 复杂结构的高速转子预平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂结构的高速转子动平衡方法，通过在复杂结构的高速转子的特定表面上增加预平衡孔来消除其原始不平衡量。预平衡孔的尺寸是通过复杂结构的高速转子的三维建模，采用黄金分割逼近法确定的。本发明提供的方法简单、高效，可大幅度地提复杂结构的高速转子的动平衡精度和效率，所生产的产品外形美观。在生产工艺稳定或动平衡要求不高的场合，采用本发明生产的复杂结构的高速转子不经过动平衡工序也可满足动平衡精度G2.5的要求。
Description
技术领域
本发明属于机械制造领域，涉及到复杂结构的高速转子的动平衡控制，可大幅度地减少复杂结构转子的不平衡量，提高其动平衡的精度和效率。
背景技术
随着高速电主轴的制造与控制技术的发展，一些高转速的机械被大量使用，最典型的高速机械就是高速加工机床。高速加工机床的主轴转速比传统机床主轴转速高出十倍甚至更多，由此对高速旋转部件的动平衡精度提出了更高的要求。高速数控刀柄是典型的复杂结构的高速转子，其动平衡精度直接影响了高速加工的质量、机床主轴轴承和刀具的寿命，甚至影响高速加工的安全性。
复杂结构的高速转子的不平衡量主要来自结构设计产生的原始不平衡量。以高速数控刀柄为例，按ISO标准制造的HSK(空心短锥)高速数控刀柄，其结构本身的不对称造成的不平衡量占总不平衡量的90％以上，而制造工艺导致的不平衡量是次要的。目前在实际生产中，为了减少高速转子不平衡量对高速机械性能的影响，采取的措施有两种：
在线动平衡：在高速机械主轴上安装一套动平衡补偿装置，通过传感器检测出不平衡量产生的振动信号，将此信号反馈给专用的动平衡补偿装置，由计算机控制系统调整动平衡补偿装置中的动平衡补偿元件的位置，在相反的位置产生一定的不平衡量来抵消原不平衡量，从而达到提高动平衡精度的目的。在线平衡装置可以实时的补偿各自原因造成的不平衡量，因此效果最好。但在线动平衡补偿装置加工昂贵，如果每台高速机械上配备一套动平衡补偿装置，将大大增加用户的设备成本，所以目前还没有普遍使用。
离线动平衡：在复杂结构的高速转子在装配或使用前，将其在专用动平衡设备上进行不平衡量和相位检测，然后采用去重法，在另外一台加工设备上将高速转子特定表面和相位的材料去除，进而减少不平衡量，达到规定的动平衡精度。
目前，离线动平衡方法是生产中应用最广泛的方法，这种方法虽然可以减少每台高速机械设备都配备动平衡补偿装置的投入，但也存在以下问题：
(1)增加了一道动平衡工序，影响了生产效率，增加了生产成本。
(2)复杂结构的高速转子很难用解析法预先得到原始不平衡量的大小和相位的信息。
(3)动平衡精度和效率受操作人员的技术水平和动平衡机精度的影响，对于一些动平衡精度要求高的产品，动平衡精度和效率度不容易得到保证。
(4)因设计造成的不平衡量较大，多次在精密转子表面去除材料会影响产品外形的美观。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效简便、经济实用的复杂结构的高速转子动平衡方法，解决高速转子在进行动平衡时存在的效率低、成本高、精度不易保证，外形不美观等问题。
一种复杂结构的高速转子的预平衡方法，区别于传统的采用动平衡仪来确定并最终减小不平衡量的方法，它是通过产品创新设计来消除原始不平衡量，旨在产品正常加工后不需要进行额外的动平衡工艺就可以满足使用要求。本发明针对复杂结构的高速转子很难用解析法预先得到原始不平衡量的大小和相位的信息的难题，通过复杂结构的高速转子的三维建模，采用CAD软件间接得到其不平衡量。在不影响复杂结构的高速转子使用性能和外形美观的前提下，预先在其的特定表面上设计出用于减少原始不平衡量的预平衡孔，利用动平衡等效关系式和黄金分割逼近法确定预平衡孔尺寸，使其达到规定的动平衡精度要求。
实现本发明的技术方案为：
本发明提出的复杂结构的高速转子预平衡方法，实施步骤为：
(1)在通用的三维CAD设计软件的平台上，完成复杂结构的高速转子的三维建模。
(2)利用三维CAD设计软件对已经完成三维建模的复杂结构的高速转子进行几何特征量分析，确定复杂结构的高速转子因不对称设计产生的原始不平衡量大小及其相位。
(3)将不平衡量分解到两个不影响使用特定的轴上。
(4)在不影响使用性能的特定表面上构建消除原始不平衡量的预平衡孔，根据原始不平衡量和动平衡等效关系式初定预平衡孔的尺寸。
(5)对改进后的复杂结构的高速转子进行几何特征量分析，确定残余不平衡量大小及其相位。
(3)如果残余不平衡量不能满足动平衡精度的要求，则根据残余不平衡量的相位确定是增大还是减小预平衡孔深度。初定增大或减少预平衡孔深度的量Δ＝(0.5～1)mm。
(7)为了快速得到精确的预平衡孔深度，采用黄金分割比较法调整预平衡孔深度，重复步骤(5)和步骤(6)，直到满足规定的平衡精度要求，最终确定高速转子特定表面上预平衡孔的尺寸。
(8)在加工工序中增加一个加工预平衡孔的工步，按最终确定尺寸加工出预平衡孔。
本发明提出的复杂结构的高速转子的预平衡方法，可有效地消除复杂结构的高速转子设计阶段产生的原始不平衡量，其主要优点有：
(1)采用三维建模确定刀柄原始不平衡量的方法简单，效率高，易于被技术人员所掌握。
(2)预平衡孔加工方便、成本低。仅仅增加了两个预平衡孔的加工，完全可以在不增加高速数控刀柄加工工序的情况下，通过在原加工工艺的一个工序中简单的插入孔加工工步即可满足设计要求。
(3)动平衡的效果好。以高速数控刀柄为例，目前高速数控刀柄因设计产生的不平衡量相当G200左右，本发明可以将动平衡精度控制在G2.5甚至更小。只要高速数控刀柄制造工艺稳定，高速数控刀柄预平衡后，即使取消动平衡工序，也能达到高速加工所要求的动平衡精度，这有利于降低生产成本。
(4)可大幅度地提高动平衡效率。即使在复杂结构的高速转子制造工艺稳定不稳定或动平衡精度很高时，经过预平衡后，因消除了占总不平衡量90％以上的因原设计所产生的不平衡量，因此可大幅度地减少动平衡工序的工作量。
(5)按预平衡方法制造的高速转子外形更美观。
附图说明
图1为标准的HSK高速数控刀柄的三维模型图。
图2具有2个预平衡孔的HSK高速数控刀柄的三维模型图。
1.X方向的预平衡孔 2.Y方向的预平衡孔
具体实施方式
下面以高速数控刀柄HSK-A50为例，结合附图对本发明的实施过程做详细的说明。
(1)在通用的三维CAD设计软件的平台上，完成HSK-A50刀柄高速数控刀柄的三维建模，如图1所示。
(2)利用三维CAD设计软件对已经完成三维建模的高速数控刀柄进行几何特征量分析，确定高速数控刀柄因不对称设计产生的不平衡量及其相位。为了方便计算，在进行三维建模时已经将坐标轴与两个预平衡孔的轴线重合，这样可以直接利用质心坐标值得到两个预平衡孔的轴线方向上的不平衡量。在本例中，刀柄的质量为572.67g，质心坐标为(0.038134，0.084707)，对应的原始不平衡量为：
X轴方向的原始不平衡量为：0.038134×572.67mm.g＝21.84mm.g
Y轴方向的原始不平衡量为：0.084707×572.67mm.g＝48.51mm.g
对应极限转速下的动平衡精度为G160。
(3)在刀柄外圆柱表面X，Y轴方向上分别构建消除原不平衡量的预平衡孔实体，孔径分别为Φ10mm和Φ11mm。
根据原始不平衡量和动平衡等效关系式初定预平衡孔的深度尺寸。
X方向的Φ10mm预平衡孔的初步深度h1可由下面的动平衡等效关系式确定，
7.83π×52h1(25-h1/2)/1000＝21.84
得到X方向的Φ10mm预平衡孔的初步深度h1为3.31mm。
同样方法可以得到Y方向的Φ10mm预平衡孔的初步深度h2为1.38mm
(4)在三维设计软件的平台上，对改进后的高速数控刀柄进行几何特征量分析，确定残余不平衡量及其相位。
(5)因残余不平衡量不能满足平衡精度的要求，根据残余不平衡量的相位确定应该是增大到X方向的Φ10mm预平衡孔深度h1，初定增大预平衡孔深度的量Δ＝0.5mm。这时对应的预平衡孔深度为：
h1＝(3.31+0.5)mm＝3.81mm。
(6)重复步骤(4)
(7)因残余不平衡量不能满足平衡精度的要求，根据残余不平衡量的相位确定应该是减小X方向的Φ10mm预平衡孔深度h1。这时减少的预平衡孔深度的量可以采用黄金分割法来确定，其值为Δ1＝0.618Δ＝0.31mm。这时对应的预平衡孔深度为：
h1＝(3.81-0.31)mm＝3.50mm
(8))重复步骤(6)和步骤(7)，直到残余不平衡量满足平衡精度的要求，最终确定高速数控刀柄在特定X方向上的表面上预平衡孔深度h1＝3.57mm。
用同样的方法可以得到高速数控刀柄在特定Y方向上的表面预平衡孔的深度h2＝1.45mm。
若刀柄在极限转速下工作，动平衡精度等级要求为G1.0，那么最终确定高速数控刀柄的特定表面上预平衡孔深度h1和h2分别为3.57mm和1.45mm，这时对应的不平衡量为：
X轴方向的不平衡量：000166072×572.67mm.g＝0.10mm.g
Y轴方向的不平衡量：0.000229640×572.67mm.g＝0.13mm.g
(9)在加工中心上增加一个加工2个直径分别为Φ10mm和Φ11mm，深度分别为3.57mm和1.45mm预平衡孔加工工步。
经过预平衡后，刀柄对应的动平衡精度等级为G0.8，能满足很高的动平衡精度要求。
由此可见，高速转子经预平衡后，原始不平衡量大幅度地减小，显著地提高了其动平衡精度。
Claims (1)
1.一种复杂结构的高速转子的预平衡方法，其特征在于，通过转子的三维建模得到其不平衡量，在不影响转子使用功能的特定表面上增加了两个消除不平衡量的预平衡孔，两个预平衡孔初始深度尺寸由原始不平衡量和动平衡等效关系式得到，最终深度尺寸是采用黄金分割逼近法得到的，具体步骤为：
(1)在通用的三维CAD设计软件的平台上，完成复杂结构的高速转子的三维建模；
(2)利用三维CAD设计软件对已经完成三维建模的复杂结构的高速转子进行几何特征量分析，确定复杂结构的高速转子因不对称设计产生的原始不平衡量大小及其相位；
(3)将不平衡量分解到两个不影响使用性能的特定轴上；
(4)在不影响使用性能的特定表面上构建消除原始不平衡量的预平衡孔，根据原始不平衡量和动平衡等效关系式初定预平衡孔的尺寸；
(5)对改进后的复杂结构的高速转子进行几何特征量分析，确定残余不平衡量大小及其相位；
(6)如果残余不平衡量不能满足动平衡精度的要求，则根据残余不平衡量的相位确定是增大还是减小预平衡孔深度，初定增大或减少预平衡孔深度的量Δ＝(0.5～1)mm；
(7)为了快速得到精确的预平衡孔深度，采用黄金分割逼近法调整预平衡孔深度，重复步骤(5)和步骤(6)，直到满足规定的平衡精度要求，最终确定高速转子特定表面上预平衡孔的尺寸；
(8)在加工工序中增加一个加工预平衡孔的工步，按最终确定尺寸加工出预平衡孔。
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