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(chē)、飛機(jī)和模具制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。由于銑刀高速旋轉(zhuǎn)時(shí)刀具各部分承受的離心力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)切削力本身的作用而成為刀具的主要載荷，而離心力達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)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(duì)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(jì)90年代初德國(guó)就開(kāi)始了對(duì)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(biāo)準(zhǔn)草案，規(guī)定了高速銑刀失效的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，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)性意見(jiàn)，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)草案已成為各國(guó)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(yàn)方法

    標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定了高速切削的速度界限，超過(guò)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?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銑刀必須經(jīng)過(guò)安全檢驗(yàn)的高速切削范圍：對(duì)于直徑d1≤32mm的單件刀具（整體或焊接刀具），其切削速度超過(guò)10000m/mm為高速切削范圍；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(lèi)型銑刀的安全試驗(yàn)方法也不同。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位銑刀，有兩種安全試驗(yàn)方法：一種方法是在1.6倍最大使用轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，刀具的永久性變形或零件的位移不超過(guò)0.05mm；另一種方法是在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)，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(duì)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(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。

2.2 高速銑刀強(qiáng)度計(jì)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(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)，由于刀具形狀的復(fù)雜性，用經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算得出的結(jié)果誤差很大，常常不能滿足安全性設(shè)計(jì)的要求。

為了在刀具設(shè)計(jì)階段對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在離心力作用下的受力和變形進(jìn)行定性和定量的分析，可通過(guò)有限元方法計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力大小，模擬失效過(guò)程和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。高速銑刀有限元計(jì)算模型中包括刀體、刀體座、刀片和夾緊螺釘。首先計(jì)算刀體（包括螺釘、刀片等零件質(zhì)量）的彈性變形，再對(duì)分離出的刀座作詳細(xì)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(wú)質(zhì)量的摩擦副組成刀片夾緊系統(tǒng)的模型，進(jìn)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及螺釘在夾緊時(shí)的變形，可計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有限元計(jì)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(jiǎn)化刀具結(jié)構(gòu)

由試驗(yàn)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(duì)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(qiáng)度鋁合金來(lái)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(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。同時(shí)，刀體的結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱(chēng)于回轉(zhuǎn)軸，使重心通過(guò)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(jī)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(jī)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(shì)，也有利于刀具強(qiáng)度和剛度的提高。

（2）改進(jìn)刀具的夾緊方式

    模擬計(jì)算和破裂試驗(yàn)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(jì)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(shí)要控制好螺釘?shù)念A(yù)緊力，防止螺釘因過(guò)載而提前受損。對(duì)于小直徑的帶柄銑刀，可采用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實(shí)現(xiàn)夾緊的高精度和高剛度。

（3）提高刀具的動(dòng)平衡性

    提高刀具的動(dòng)平衡性對(duì)提高高速銑刀的安全性有很大的幫助。因?yàn)榈毒叩牟黄胶饬繒?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(jiàn)，提高刀具的動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)草案要求，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試，并應(yīng)達(dá)到ISO1940－1規(guī)定的G4.0平衡質(zhì)量等級(jí)以上要求。

4 結(jié)語(yǔ)

    高速銑刀安全性技術(shù)是研究高速刀具的一個(gè)重要內(nèi)容，應(yīng)加強(qiáng)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。