高速銑削刀具的安全性

　　由于高速切削通常會需要較高的轉(zhuǎn)速，由此使刀具在巨大離心力作用下發(fā)生破碎、解體的可能性大大增加。左圖的一組照片說明了這種問題不但存在，而且具有不小的危險。

　　刀片飛脫的可轉(zhuǎn)位銑刀機(jī)床的防彈玻璃被擊碎

　　刀片飛脫的可轉(zhuǎn)位銑刀是國內(nèi)某知名廠商生產(chǎn)的直徑100mm的面銑刀。山東大學(xué)在使用該銑刀安裝單刀片進(jìn)行切削試驗(yàn)時，在轉(zhuǎn)速增加到5000r/min時，僅有的一個刀片在離心力超過鍥塊摩擦力的情況下飛離了刀體，擊打在機(jī)床的防護(hù)鋼板上。而蘇州的一個用戶則比較不幸，他們的刀具破碎后碎片擊中了機(jī)床的防彈玻璃，結(jié)果是玻璃被完全擊碎。

　　那么，高速加工的刀具為什么會有如此大的破壞能力呢?我們作了如下的簡要分析。如果一個直徑40mm的可轉(zhuǎn)位銑刀以40000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，其線速度為5024m/min，即83.7m/s，以刀片重量0.015kg計(jì)算，其動量為1.26 kg•m/s。這一結(jié)果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動量相當(dāng)(該手槍子彈彈頭重量約0.005kg，出膛初速度為230m/s，因此動量為1.20 kg•m/s)。

　　刀片式銑刀的結(jié)構(gòu)與安全性有很大關(guān)系。山東大學(xué)在使用的刀片飛出的銑刀，是國內(nèi)普遍采用的鍥塊時夾緊方式。這種夾緊方式完全依靠摩擦力來抵御離心力，刀片比較容易飛出，而采用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘才會導(dǎo)致刀片飛出，安全性大大提高。研究表明，用螺釘夾緊的銑刀隨著轉(zhuǎn)速的逐漸提高，螺釘會在離心力的作用下被拉長，刀體也會發(fā)生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時已達(dá)臨界應(yīng)力而出現(xiàn)永久性的拉伸變形，而在在達(dá)到臨界速度之前，螺釘已經(jīng)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，造成夾緊力下降，刀片也隨之發(fā)生位移。

　　因此，我們必須充分注意高速加工刀具的安全性問題，杜絕在高速切削時發(fā)生安全事故。德國高速切削的工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術(shù)規(guī)范早已被建議成為德國標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范規(guī)定：對于刀片式的刀具，生產(chǎn)商必須保證在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速(np=1.6nmax)下試驗(yàn)，刀具的永久變形或零件的位移不超過0.05mm，而在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速(np=2nmax)下試驗(yàn)，刀具不發(fā)生爆碎;對于整體式刀具，則應(yīng)在np=2nmax條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。同時要求刀具生產(chǎn)商必須對可用于高速切削的刀具明示其最大使用轉(zhuǎn)速。在此條件下使用刀具的安全性將得到充分的安全保證。當(dāng)然，對于非高速切削刀具(即在左圖的綠色部分)，則不需要作如此要求。因此我們在選用高速切削刀具時應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)商提供的核定最高轉(zhuǎn)速規(guī)定。但由于國內(nèi)尚無高速切削刀具的安全性標(biāo)準(zhǔn)，我們在選用時需要更加慎重。

　　對于高速切削的刀具，我們應(yīng)采取一定措施來保證其安全性。比如，瓦爾特要求對高速切削的刀片式刀具，使用原廠刀片鎖緊螺釘以保證安全性;刀片安裝時保證規(guī)定扭矩;同時在刀片更換5次后，使用新的刀片鎖緊螺釘以防止螺釘因疲勞著成造成夾緊力下降，影響刀具的安全使用。

　　帶離心力卸載的銑刀示意

　　同樣，刀具生產(chǎn)商也應(yīng)該采取措施來加強(qiáng)刀具在高速加工中的安全性。國外一些著名的刀具生產(chǎn)商近年來在刀片式刀具的開發(fā)中紛紛采用了技術(shù)措施來加強(qiáng)刀具的安全性，刀片與刀體間增加離心力卸載結(jié)構(gòu)就是其中之一。左圖的刀體上有一個突起，刀片的相應(yīng)位置上則有一個凹坑，刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力、螺釘?shù)闹С辛�和離心力卸載結(jié)構(gòu)的支承力共同承擔(dān)，這樣抵御刀片飛出的能力得到了加強(qiáng)。