高速銑削刀具安全技術(shù)現(xiàn)狀

       提高切削速度是金屬切削技術(shù)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，也是切削加工提高效率、降低成本的主要措施。機(jī)械加工的歷史證明，切削速度的提高為機(jī)械制造業(yè)帶來了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，切削速度的提高還反映著機(jī)械制造整體技術(shù)水平的進(jìn)步。從八十年代中期開始，制造技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全面發(fā)展的新時(shí)期，其特點(diǎn)是以提高切削速度和進(jìn)給速度為目標(biāo)，主要內(nèi)容包括高速主軸單元、快速進(jìn)給和高加(減)速度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高性能的快速CNC控制系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、超硬刀具材料和涂層工藝技術(shù)等。制造技術(shù)的全面進(jìn)展正在把切削技術(shù)推向高速切削(HSC)的新階段。與五六十年代推廣硬質(zhì)合金刀具時(shí)的所謂高速切削相比，這一輪的高速切削不僅切削速度有成倍的提高，而且可配合采用高的進(jìn)給速度和小的切削深度，在實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率的同時(shí)使切削力減小，從而還提高了加工質(zhì)量。目前，高速切削已經(jīng)在航空工業(yè)、模具工業(yè)和轎車工業(yè)受到重視，正在向更廣的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。  

    高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工藝的多樣性，對(duì)高速切削不可能用一個(gè)確定的速度指標(biāo)來定義。對(duì)于銑刀等回轉(zhuǎn)刀具，通常以刀具或主軸的轉(zhuǎn)速作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的刀具直徑，現(xiàn)階段一般把轉(zhuǎn)速10000～20000r/min以上視為高速切削。因?yàn)樵谶@個(gè)轉(zhuǎn)速范圍以上，對(duì)刀具材料、結(jié)構(gòu)、裝夾以及機(jī)床的主軸、結(jié)構(gòu)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和CNC系統(tǒng)都提出了特殊的要求，需要開發(fā)新的技術(shù)，其中銑刀結(jié)構(gòu)的安全性就是發(fā)展高速切削所必須解決的一個(gè)技術(shù)問題。  

    銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝，銑刀是主要的高速切削刀具，包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀。這類刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各部分都要承受很大的離心力，其作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過切削力的作用，成為刀具的主要載荷，離心力過大足以導(dǎo)致刀體破碎。圖1所示為一把德國(guó)Walter公司的面銑刀在36700r/min時(shí)爆碎后的狀態(tài)。一把直徑12mm的帶柄銑刀在轉(zhuǎn)速達(dá)到36000r/min時(shí)彎曲、斷裂的情形。這種破損一旦發(fā)生，操作者往往來不及采取制止措施或躲避，刀體爆飛的碎塊或甩出的零件會(huì)對(duì)操作者造成重大傷害，使機(jī)床設(shè)備、加工工件嚴(yán)重?fù)p壞，帶來很大的直接經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成停工停產(chǎn)，影響產(chǎn)品的交貨，并引起刀具制造商與用戶之間的法律糾紛。因此，研究高速銑刀的安全性技術(shù)，防止這種由離心力引起的工具損壞，是進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用高速切削的必要前提，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。  

    德國(guó)在九十年代初就開始了對(duì)高速銑刀安全性技術(shù)的研究，在機(jī)器制造商協(xié)會(huì)(VDMA)的支持下，以達(dá)姆斯塔特(Darmstadt)大學(xué)制造技術(shù)與機(jī)床研究所為核心，組成了由刀具制造廠、研究所和用戶參加的工作組，從事高速銑刀安全性技術(shù)的研究。經(jīng)過近十年的工作，取得了一系列階段性成果，推動(dòng)了世界范圍內(nèi)高速切削技術(shù)的發(fā)展。下面介紹他們的主要研究成果。  

    首先，試驗(yàn)證明普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不能適應(yīng)高速切削的要求，因?yàn)槠胀ㄣ姷恫⒎菫楦咚偾邢鞫�設(shè)計(jì)，沒有經(jīng)過一定的強(qiáng)度計(jì)算和安全檢驗(yàn)。用這類刀具加工鋁合金時(shí)，還沒有達(dá)到被加工材料最佳切削速度的一半，刀體或刀片的夾緊系統(tǒng)就失效了。工作組首先就“高速旋轉(zhuǎn)銑刀設(shè)計(jì)和試驗(yàn)指導(dǎo)意見”進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，于1994年起草了《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》DIN標(biāo)準(zhǔn)，從法律角度規(guī)范制造商和用戶在設(shè)計(jì)、制造和使用高速銑刀時(shí)的行為和責(zé)任，在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計(jì)、制造和使用的指導(dǎo)意見，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗(yàn)方法，以提高刀具制造商和用戶的安全意識(shí)，保證高速銑削的安全。標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定了它的適用范圍，即高速切削的速度界限，超過這一界限，離心力成為銑刀的主要載荷，則必須采用安全技術(shù)。如圖3所示，曲(折)線以上的區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銑刀必須經(jīng)過安全檢驗(yàn)的高速切削范圍：對(duì)于直徑d1≤32mm的單件刀具(整體刀具或焊接刀具)，高速切削范圍為切削速度≥1000m/min，即線段AB以上的區(qū)域；對(duì)于直徑d1＞32mm的裝配式機(jī)夾刀具，高速切削范圍為線段BC以上的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全性檢測(cè)包括形式檢驗(yàn)和樣品刀具的離心力試驗(yàn)。形式檢驗(yàn)的內(nèi)容包括對(duì)設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算資料、尺寸、裝配狀態(tài)和外觀的檢查。樣品刀具的離心力試驗(yàn)分兩種情況：對(duì)于機(jī)夾式刀具，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，或者在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(duì)于整體式刀具則必須在np=2nmax條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。標(biāo)準(zhǔn)要求制造商應(yīng)把刀具的最大使用轉(zhuǎn)速(nmax)和有關(guān)特征參數(shù)、商標(biāo)清晰地、永久性地標(biāo)示在刀具上，并隨刀具向用戶提供必要的證明文件和安全使用說明。標(biāo)準(zhǔn)還提供了高速銑刀設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意見。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全性技術(shù)的指導(dǎo)和監(jiān)督下，目前德國(guó)生產(chǎn)的高速銑刀已經(jīng)達(dá)到很高的安全性。離心力破壞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的一個(gè)例子，直徑80mm和200mm的銑刀分別約在35000r/min和25000r/min時(shí)爆碎，考慮安全系數(shù)2，則允許的最大使用速度可分別達(dá)到4000m/min和7800m/min。Mapal公司的PCD高速銑刀系列在考慮了安全系數(shù)4以后，所推薦的允許最大切削速度分別為6700m/min(銑刀直徑80mm)和8400m/min(銑刀直徑200mm)。為了滿足刀具樣品離心力試驗(yàn)的需要，達(dá)姆斯塔特大學(xué)引入了一臺(tái)試驗(yàn)裝置，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)210000r/min，試驗(yàn)范圍為：刀具長(zhǎng)度250mm，刀具直徑200mm，刀具重量10kg，并制定了標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案后來作為德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)建議提交給歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，并于1995年被采納，同期也作為ISO的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議征詢會(huì)員國(guó)的意見，表明高速銑刀的安全性在國(guó)際上取得了廣泛的共識(shí)。  

     為了加快高速銑刀的開發(fā)過程，工作組還就高速銑刀的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了研究。指出防止離心力造成的破壞關(guān)鍵在于刀體的強(qiáng)度是否足夠，機(jī)夾刀的零件夾緊是否可靠。當(dāng)把離心力作為主要載荷計(jì)算刀體強(qiáng)度時(shí)，由于刀體形狀的復(fù)雜性，用經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算得出的結(jié)果有很大的誤差，不能滿足安全性設(shè)計(jì)的要求。為此，達(dá)姆斯塔特大學(xué)與斯馬爾卡登(Schmalkalden)制造技術(shù)開發(fā)公司合作開發(fā)了專門用于高速銑刀的有限元計(jì)算方法，該方法可以模擬在不同轉(zhuǎn)速下刀具應(yīng)力的大小和分布(如圖5所示)，分別開發(fā)了刀體、刀座、刀片、夾緊螺釘?shù)挠?jì)算模塊，通過這些模塊的組合實(shí)現(xiàn)整個(gè)刀具的計(jì)算。該方法還能模擬刀片在刀座里的滑動(dòng)、螺釘頭在擰緊和工作載荷下的變形。計(jì)算顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到30000～35000r/min時(shí)，螺釘已達(dá)臨界應(yīng)力而出現(xiàn)拉伸變形，在達(dá)到臨界速度之前，螺釘首先產(chǎn)生彎曲，夾緊力下降，刀片發(fā)生位移。在實(shí)際應(yīng)用中，將模擬設(shè)計(jì)計(jì)算與樣品的離心力試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合起來，并從試驗(yàn)所獲刀具變形、刀片位移的數(shù)據(jù)中得到建立模型所需要的邊界條件。使用有限元計(jì)算模型可以在設(shè)計(jì)階段就分析刀具的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)失效的狀態(tài)，從而可減少樣品試驗(yàn)的反復(fù)次數(shù)，加快高速銑刀開發(fā)過程，降低開發(fā)費(fèi)用，并且可使刀具的性能進(jìn)一步提高。按此方法開發(fā)的直角銑刀的幾何變形量可減小20%，失效轉(zhuǎn)速可提高10%。  

      高速銑刀安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和有限元計(jì)算模型的開發(fā)，對(duì)高速銑刀的設(shè)計(jì)和使用提出了以下改進(jìn)意見：  

    1.刀體材料  

    為了減輕和承受離心力的作用，要求刀體材料的比重要小，強(qiáng)度要高，現(xiàn)在有的高速銑刀已采用高強(qiáng)度鋁合金制造刀體。標(biāo)準(zhǔn)建議，刀體材料的選擇應(yīng)取決于材料拉伸強(qiáng)度與密度的比值和應(yīng)用的轉(zhuǎn)速范圍。圖6是用不同刀體材料制造的DIN8030系列銑刀的極限切削速度比較。鈦合金由于對(duì)切口的敏感性不宜用于制造刀體。  

    2,刀具結(jié)構(gòu)  

    刀體上的槽(包括刀座槽、容屑槽、鍵槽)會(huì)引起應(yīng)力集中，降低刀體的強(qiáng)度，因此應(yīng)盡量避免通槽和槽底帶尖角。刀體的結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)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。需使用接頭、加長(zhǎng)柄等連接件時(shí)也應(yīng)避免游隙和提高重復(fù)定位性。實(shí)際上，高速銑刀大多采用HSK刀柄與機(jī)床主軸連接甚至做成整體式結(jié)構(gòu)，以提高剛性和安裝重復(fù)定位精度。此外，機(jī)夾式高速銑刀的直徑趨小，高度增加，刀齒數(shù)也趨少，有的只有兩個(gè)刀齒，這種結(jié)構(gòu)便于調(diào)整刀齒的跳動(dòng)，提高加工質(zhì)量。  

    3,刀具(片)的夾緊方式  

    刀具與主軸的連接宜采用HSK錐柄或類似的錐柄結(jié)構(gòu)�？赊D(zhuǎn)位刀片應(yīng)有中心螺釘孔或有可卡住的空刀窩。例如有一種可轉(zhuǎn)位刀片，刀片底面有一個(gè)圓的空刀窩，可與刀體上的凸起相配合，對(duì)作用在夾緊螺釘上的離心力起卸載作用。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致，還要控制螺釘?shù)念A(yù)緊力，防止螺釘因過載而提前受損。對(duì)于小直徑的帶柄銑刀，現(xiàn)在有兩種高精度、高剛性的夾緊方法：液壓夾頭和熱冷脹縮夾頭。兩者比較，后者的夾持精度更高，傳遞的扭矩比前者大1.5～2倍，徑向剛性高2～3倍，能承受更大的離心力，更適合于整體硬質(zhì)合金銑刀高速銑削淬硬的模具。日本和德國(guó)都開發(fā)了相應(yīng)的加熱裝置用于刀具的裝卸。這種夾頭的缺點(diǎn)是適用的直徑范圍小，刀具裝卸費(fèi)時(shí)。  

    4,刀具的動(dòng)平衡  

    在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的不平衡會(huì)對(duì)主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，從而對(duì)刀具的安全性和加工質(zhì)量帶來不利的影響。因此《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過動(dòng)平衡測(cè)試，并應(yīng)達(dá)到ISO1940/1規(guī)定的G40平衡質(zhì)量等級(jí)，即銑刀的單位重量允許不平衡量e不超過3.8197×105/nmax(mm×g/kg)，式中nmax為最大使用轉(zhuǎn)速。為此，在機(jī)夾銑刀的結(jié)構(gòu)上要設(shè)置調(diào)節(jié)動(dòng)平衡的位置。實(shí)際上，目前某些精加工高速銑刀(或鏜刀)不平衡質(zhì)量已達(dá)到G2.5級(jí)(e＝0.23873×105/nmax)，平衡性比G40級(jí)好得多，而美國(guó)平衡技術(shù)公司推出的刀具動(dòng)平衡機(jī)甚至可平衡到G1.0級(jí)。銑刀在機(jī)床主軸上的重復(fù)安裝精度也會(huì)影響銑刀旋轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡效果，使用HSK刀柄可以保證很高的重復(fù)安裝精度。顯然，在對(duì)銑刀進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，把e值(此時(shí)用μm作單位)調(diào)節(jié)到小于刀具的重復(fù)安裝精度(μm)是徒勞的。  

    目前，安全性技術(shù)已被世界上著名的工具制造廠家所采用，除德國(guó)的Walter、Mapal等公司推出的高速銑刀外，日本東芝Tungaloy公司的DIA9000加工鋁合金用銑刀、住友電工公司的專用SUMIDIA金剛石銑刀等在結(jié)構(gòu)上都作了改進(jìn)，以適應(yīng)高速加工的需要，推薦的切削速度為3000～5000m/min。美國(guó)Valenite公司推出直徑從3英寸至12英寸的高速銑刀，其鋁合金刀體經(jīng)表面處理后硬度達(dá)60HRC，提高了刀體的耐磨性。