2017年5月23日

高速切削刀具的安全性

高速切削刀具的安全性高速切削時，高速旋轉著的工件、夾具、刀具積聚著很大的能量，承受著很大的離心力，當主軸轉速達40000r／min時，若有刀片崩裂，掉下來的刀具碎片就像出膛的子彈，可能造成重大的事故和傷害。因此，解決伴隨著高速切削而出現的安全問題成為進一步推廣高速切削的前提* 高速刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉的銑刀和鏗刀，尤其是高速銑刀，因為高速銑削已在模具工業、航空工業和汽車工業得到應用，顯示出很大的優越性。所以研究高速銑刀的安全性更具有緊迫性和現實性。德國早在20世紀90年代初就開始對高速銑刀安全技術進行了研究，取得了一系列實用性的成果，制訂的DIN6589—l“高速銑刀的安全要求”標準草案，規定了高速銑刀失效的試驗方法和標準，該標準已經成為高速銑刀安全性的指導性文件。對于機夾可轉位刀片銑刀的安全性，除了刀體的強度外，還有零件、刀片夾緊的可靠性。為了能在設計階段對刀具的結構強度在離心力作用下受力和變形情況進行定性和定量的分析，可通過有限元方法計算不同轉速下應力大小，模擬失效過程和改進設計方案。有限元模型包括如圖8—13所示的刀體與刀片座、刀片、夾緊螺釘三部分。首先計算刀體(包括螺釘、刀片等零件的質量)的純彈性交形，接著對分離出來的刀座做詳細的分橋，把前面獲得的刀體彈性變形作為邊界條件加到刀座分離體上。然后由切出的刀座、刀片、螺釘及無質量的摩擦副組成了刀片央緊系統的模型，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、轉動，以及螺釘在夾緊時的變形，可計算在不同轉速下的刀片位移和螺釘受力大小。根據計算和試驗，機夾可轉位銑刀在高速下的失效可有兩種形式：一種形式是夾緊刀片的螺釘被剪斷，刀片或其他夾緊元件甩飛；另一種形式是刀體的銀碎。在多數情況下首先出現的是前一種失效，即在較低的速度下出現零件甩飛，隨著轉速進一步提高達到刀體強度的臨界值，才出現后一種失效，刀體爆碎。圖8—14為模擬計算顯示的這兩種失效過程與轉速的關系。在靜止狀態下刀片的夾緊力對刀體產生一個向心的變形，隨著轉速增加，一方面刀體彈性膨脹，刀片隨刀體一起向外脹。同時，刀片的離心力克服螺釘夾緊力，使向心夾緊力和變形量逐漸減小，直至完全離開刀座的徑向支撐，此時夾緊已完全失效，即達到曲線上的拐點，拐點以后，刀片開始迅速外移直至甩飛。對一把80mm直徑的直角面銑刀的模擬計算結果表明，夾緊螺釘在30000一35000r／min時已達到失效的臨界狀態，刀體的失效臨界狀態出現在600肋r／min以上。同一把銑刀的爆碎試驗表明，在30000一35000r／min范圍里，螺釘的夾緊完全失效，所有被試驗刀具其一個或多個螺釘被剪斷，其余的螺釘產生強烈塑性變形，刀片已離開刀座支撐面o．1一o．5mm。因此，機夾銑刀首先發生的是零件甩飛的失效。與刀體爆碎造成的損害相比，由于零件質量輕、轉速相對較低，甩飛造成的損害要小得多，但卻使刀具失去了使用性能。對刀片甩飛前位移過程的測量研究表明，在轉速上升至13000r／min的過程中，刀片的位移可達45P”。由于刀體變形的不均勻，以及每個刀片夾緊狀態、摩擦條件等差異，一把銑刀的4個刀片可有15—20pm的分散。轉速達到16000 r／min時，刀片的主偏角偏轉了o．36。這些結果不僅對于安全性，而且對于分析高速切削的加工精度也有價值* 模擬計算和瀑碎試驗研究結果表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩接力夾緊，要用帶中心孔的刀片，用螺釘夾緊*與安全有關的結構參數包括刀片中心孔相對刀座螺釘孔的偏心量、刀片中心孔和螺釘頭的形狀。這些因素決定螺釘在靜止狀態下夾緊刀片時所受到的預應力大小，過大的預應力甚至能使螺釘產生塑性變形，降低了夾緊系統失效轉速。刀具旋轉時．刀片的離心力對螺釘產生新的作用力．兩力更加使螺釘剪斷或嚴重塑性變形。一個78重的刀片(銑刀直徑80mm＞，30000 r／min時可產生2500N的離心力。因此，改進夾緊系統，提高螺釘甩飛的失效轉速，可以發揮高速銑刀的潛力。日本三菱金屬公司開發的ocATcuT系列高速銑刀，其刀座與刀片結構如圖8—15所示。其利用一個底面團鍵的配合，改善了夾緊的可靠性，使這類銑刀的甩飛失效轉速提高24％。圖8—16是無孔刀片的防甩飛設計。模具/零件高速加工中心鉆攻中心高速加工中心都歸屬精工機床系列本文由海天精工整理發表 www.dyliao.com

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