高速銑削刀具的安全性技術(shù)

1 引言

    高速銑削工藝在汽車、飛機和模具制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。由于銑刀高速旋轉(zhuǎn)時刀具各部分承受的離心力已遠遠超過切削力本身的作用而成為刀具的主要載荷，而離心力達到一定程度時會造成刀具變形甚至破裂，因此研究高速銑刀的安全性技術(shù)對發(fā)展高速銑削技術(shù)有著極其重要的意義。

2 高速銑刀安全性技術(shù)研究的現(xiàn)狀

    20世紀90年代初德國就開始了對高速銑刀的安全性技術(shù)研究，并制訂了DIN6589-1《高速銑刀的安全要求》標準草案，規(guī)定了高速銑刀失效的試驗方法和標準，在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計、制造和使用的指導(dǎo)性意見，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗方法。該標準草案已成為各國高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件。

2.1 高速銑刀的安全失效形式與試驗方法

    標準草案規(guī)定了高速切削的速度界限，超過該速度后離心力將成為銑刀的主要載荷，必須采用安全技術(shù)。在刀具直徑與高速切削范圍關(guān)系圖中，曲線以上區(qū)域為該標準規(guī)定的銑刀必須經(jīng)過安全檢驗的高速切削范圍：對于直徑d1≤32mm的單件刀具（整體或焊接刀具），其切削速度超過10000m/mm為高速切削范圍；對于直徑d1>32mm的裝配式機夾刀具，高速切削范圍為線段BC以上區(qū)域。

    高速銑刀的安全失效形式有兩種：變形和破裂。不同類型銑刀的安全試驗方法也不同。對于機夾可轉(zhuǎn)位銑刀，有兩種安全試驗方法：一種方法是在1.6倍最大使用轉(zhuǎn)速下進行試驗，刀具的永久性變形或零件的位移不超過0.05mm；另一種方法是在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速下試驗，刀具不發(fā)生破裂（包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛、刀體的爆裂等）。而對于整體式銑刀，則必須在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速條件下試驗而不發(fā)生彎曲或斷裂。

2.2 高速銑刀強度計算模型

    高速刀具在離心力的作用下是否發(fā)生失效的關(guān)鍵在于刀體的強度是否足夠、機夾刀的零件夾緊是否可靠。當把離心力作為主要載荷計算刀體強度時，由于刀具形狀的復(fù)雜性，用經(jīng)典力學理論計算得出的結(jié)果誤差很大，常常不能滿足安全性設(shè)計的要求。

為了在刀具設(shè)計階段對其結(jié)構(gòu)強度在離心力作用下的受力和變形進行定性和定量的分析，可通過有限元方法計算不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力大小，模擬失效過程和改進設(shè)計方案。高速銑刀有限元計算模型中包括刀體、刀體座、刀片和夾緊螺釘。首先計算刀體（包括螺釘、刀片等零件質(zhì)量）的彈性變形，再對分離出的刀座作詳細分析，把所獲得的刀體彈性變形作為邊界條件加到刀座分離體；然后由切出的刀座、刀片、螺釘及無質(zhì)量的摩擦副組成刀片夾緊系統(tǒng)的模型，進行夾緊的可靠性分析。有限元模型能模擬刀片在刀座里的傾斜、滑動、轉(zhuǎn)動以及螺釘在夾緊時的變形，可計算出在不同轉(zhuǎn)速下刀片位移和螺釘受力的大小。

3 提高高速銑刀安全性的措施

    結(jié)合高速銑刀安全性標準，通過有限元計算模型的分析，為適應(yīng)安全性要求，可采取以下措施：

（1）減輕刀具質(zhì)量，減少刀具構(gòu)件數(shù)，簡化刀具結(jié)構(gòu)

由試驗求得的相同直徑的不同刀具的破裂極限與刀體質(zhì)量、刀具構(gòu)件數(shù)和構(gòu)件接觸面數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，刀具質(zhì)量越輕，構(gòu)件數(shù)量和構(gòu)件接觸面越少，刀具破裂的極限轉(zhuǎn)速越高。研究發(fā)現(xiàn)，用鈦合金作為刀體材料減輕了構(gòu)件的質(zhì)量，可提高刀具的破裂極限和極限轉(zhuǎn)速。但由于鈦合金對切口的敏感性，不適宜制造刀體，因此有的高速銑刀已采用高強度鋁合金來制造刀體。

    在刀體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)注意避免和減小應(yīng)力集中，刀體上的槽（包括刀座槽、容屑槽、鍵槽）會引起應(yīng)力集中，降低刀體的強度，因此應(yīng)盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時，刀體的結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱于回轉(zhuǎn)軸，使重心通過銑刀的軸線。刀片和刀座的夾緊、調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙，并且要求重復(fù)定位性好。目前，高速銑刀已廣泛采用HSK刀柄與機床主軸連接，較大程度地提高了刀具系統(tǒng)的剛度和重復(fù)定位精度，有利于刀具破裂極限轉(zhuǎn)速的提高。此外，機夾式高速銑刀的直徑顯露出直徑變小、刀齒數(shù)減少的發(fā)展趨勢，也有利于刀具強度和剛度的提高。

（2）改進刀具的夾緊方式

    模擬計算和破裂試驗研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊，要用帶中心孔的刀片、螺釘夾緊方式，或用特殊設(shè)計的刀具結(jié)構(gòu)以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致，同時要控制好螺釘?shù)念A(yù)緊力，防止螺釘因過載而提前受損。對于小直徑的帶柄銑刀，可采用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實現(xiàn)夾緊的高精度和高剛度。

（3）提高刀具的動平衡性

    提高刀具的動平衡性對提高高速銑刀的安全性有很大的幫助。因為刀具的不平衡量會對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

設(shè)旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量為m，質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)體中心的偏心量為e，則由不平衡量引起的慣性離心力F為：

F=emω2=U（n/9549）2

式中：U為刀具系統(tǒng)不平衡量（g·mm），e為刀具系統(tǒng)質(zhì)心偏心量（mm），m為刀具系統(tǒng)質(zhì)量（kg），n為刀具系統(tǒng)轉(zhuǎn)速（r/min），ω為刀具系統(tǒng)角速度（rad/s）。

由上式可見，提高刀具的動平衡性可顯著減小離心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照標準草案要求，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過動平衡測試，并應(yīng)達到ISO1940－1規(guī)定的G4.0平衡質(zhì)量等級以上要求。

4 結(jié)語

    高速銑刀安全性技術(shù)是研究高速刀具的一個重要內(nèi)容，應(yīng)加強刀具安全性的定量分析，精確確定影響高速銑刀安全性的微量因素，并從刀具的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面解決好高速銑刀的安全性。