高速切削刀具的安全性 高速切削時，高速旋轉(zhuǎn)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(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)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(xiàn)的安全問題成為進(jìn)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(zhuǎn)的銑刀和鏗刀，尤其是高速銑刀，因?yàn)楦咚巽娤饕言谀＞吖I(yè)、航空工業(yè)和汽車工業(yè)得到應(yīng)用，顯示出很大的優(yōu)越性。所以研究高速銑刀的安全性更具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)性。德國早在20世紀(jì)90年代初就開始對高速銑刀安全技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一系列實(shí)用性的成果，制訂的DIN6589—l“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)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件。 對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片銑刀的安全性，除了刀體的強(qiáng)度外，還有零件、刀片夾緊的可靠性。為了能在設(shè)計階段對刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在離心力作用下受力和變形情況進(jìn)行定性和定量的分析，可通過有限元方法計算不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)力大小，模擬失效過程和改進(jìn)設(shè)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(zhì)量)的純彈性交形，接著對分離出來的刀座做詳細(xì)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(zhì)量的摩擦副組成了刀片央緊系統(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、轉(zhuǎn)動，以及螺釘在夾緊時的變形，可計算在不同轉(zhuǎn)速下的刀片位移和螺釘受力大小。 根據(jù)計算和試驗(yàn)，機(jī)夾可轉(zhuǎn)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(shù)情況下首先出現(xiàn)的是前一種失效，即在較低的速度下出現(xiàn)零件甩飛，隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高達(dá)到刀體強(qiáng)度的臨界值，才出現(xiàn)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(zhuǎn)速的關(guān)系。在靜止?fàn)顟B(tài)下刀片的夾緊力對刀體產(chǎn)生一個向心的變形，隨著轉(zhuǎn)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(dá)到曲線上的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)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(jié)果表明，夾緊螺釘在30000一35000r／min時已達(dá)到失效的臨界狀態(tài)，刀體的失效臨界狀態(tài)出現(xiàn)在600肋r／min以上。同一把銑刀的爆碎試驗(yàn)表明，在30000一35000r／min范圍里，螺釘?shù)膴A緊完全失效，所有被試驗(yàn)刀具其一個或多個螺釘被剪斷，其余的螺釘產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形，刀片已離開刀座支撐面o．1一o．5mm。因此，機(jī)夾銑刀首先發(fā)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(zhì)量輕、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速上升至13000r／min的過程中，刀片的位移可達(dá)45P”。由于刀體變形的不均勻，以及每個刀片夾緊狀態(tài)、摩擦條件等差異，一把銑刀的4個刀片可有15—20pm的分散。轉(zhuǎn)速達(dá)到16000 r／min時，刀片的主偏角偏轉(zhuǎn)了o．36。這些結(jié)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(yàn)研究結(jié)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(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)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?fàn)顟B(tài)下夾緊刀片時所受到的預(yù)應(yīng)力大小，過大的預(yù)應(yīng)力甚至能使螺釘產(chǎn)生塑性變形，降低了夾緊系統(tǒng)失效轉(zhuǎn)速。刀具旋轉(zhuǎn)時．刀片的離心力對螺釘產(chǎn)生新的作用力．兩力更加使螺釘剪斷或嚴(yán)重塑性變形。一個78重的刀片(銑刀直徑80mm＞，30000 r／min時可產(chǎn)生2500N的離心力。因此，改進(jìn)夾緊系統(tǒng)，提高螺釘甩飛的失效轉(zhuǎn)速，可以發(fā)揮高速銑刀的潛力。日本三菱金屬公司開發(fā)的ocATcuT系列高速銑刀，其刀座與刀片結(jié)構(gòu)如圖8—15所示。其利用一個底面團(tuán)鍵的配合，改善了夾緊的可靠性，使這類銑刀的甩飛失效轉(zhuǎn)速提高24％。圖8—16是無孔刀片的防甩飛設(shè)計。模具/零件 高速加工中心 鉆攻中心 高速加工中心 都?xì)w屬精工機(jī)床系列本文由 海天精工 整理發(fā)表 www.97jkb.cn