[发明专利]复杂结构的高速转子预平衡方法

说明书

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。