摘 要：高速銑刀工作時的主要載荷是離心力，離心力過大可導(dǎo)致刀體破碎而造成重大事故。德國對高速銑削刀具的安全性技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)建議，開發(fā)了銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化有限元（fme）計(jì)算模型，改進(jìn)了銑刀結(jié)構(gòu)，為高速銑刀的安全技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：高速銑刀;安全技術(shù)situation of safety technology for hsc milling tools
zhao bingzhen
abstract：a very serious accident could result from the milling tools used at increased peripheral speeds due to the large centrifugal force．a(chǎn) series of research work on the safety has been carried out in germany and the following achievements have been made：drafting a standard proposal about safety requirements for milling tools，developing a modular fme model for designing，then putting some suggestions for structure improvements．
keywords：hsc milling tool safety technology
提高切削速度是金屬切削技術(shù)長期追求的目標(biāo)，也是切削加工提率、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)入了一個全面發(fā)展的新時期，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，對高速切削不可能用一個確定的速度指標(biāo)來定義。對于銑刀等回轉(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@個轉(zhuǎn)速范圍以上，對刀具材料、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walter公司的面銑刀在36700r /min時爆碎后的狀態(tài)。圖2為一把直徑12mm的帶柄銑刀在轉(zhuǎn)速達(dá)到36000r /min時彎曲、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對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。
圖1
圖2
德國在九十年代初就開始了對高速銑刀安全性技術(shù)的研究，在機(jī)器制造商協(xié)會（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O(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，還沒有達(dá)到被加工材料*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，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：對于機(jī)夾式刀具，在1．6倍于zui大使用轉(zhuǎn)速（np＝1．6nmax）下試驗(yàn)，刀具的*變形或零件的位移不超過0．05mm，或者在2倍于zui大使用轉(zhuǎn)速（np＝2nmax）下試驗(yàn)，刀具不發(fā)生爆碎；對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zui大使用轉(zhuǎn)速（nmax）和有關(guān)特征參數(shù)、商標(biāo)清晰地、*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，目前德國生產(chǎn)的高速銑刀已經(jīng)達(dá)到很高的安全性。圖4是由離心力破壞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的一個例子，直徑80mm和200mm的銑刀分別約在35000r/min和25000r/min時爆碎，考慮安全系數(shù)2，則允許的zui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zui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)引入了一臺試驗(yàn)裝置，zui高轉(zhuǎn)速可達(dá)210000r/min，試驗(yàn)范圍為：刀具長度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。這個標(biāo)準(zhǔn)草案后來作為德國din標(biāo)準(zhǔn)建議提交給歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會，并于1995年被采納，同期也作為iso的標(biāo)準(zhǔn)建議征詢會員國的意見，表明高速銑刀的安全性在上取得了廣泛的共識。
圖3
圖4
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，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)整個刀具的計(jì)算。該方法還能模擬刀片在刀座里的滑動、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，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％。
圖5
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、加長柄等連接件時也應(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，有的只有兩個刀齒，這種結(jié)構(gòu)便于調(diào)整刀齒的跳動，提高加工質(zhì)量。
圖6
（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，刀片底面有一個圓的空刀窩，可與刀體上的凸起相配合，對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。
（4）刀具的動平衡
在高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的不平衡會對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，從而對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)過動平衡測試，并應(yīng)達(dá)到iso1940/1規(guī)定的g40平衡質(zhì)量等級，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zui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（e＝0.23873×105/nmax），平衡性比g40級好得多，而美國平衡技術(shù)公司推出的刀具動平衡機(jī)甚至可平衡到g1．0級。銑刀在機(jī)床主軸上的重復(fù)安裝精度也會影響銑刀旋轉(zhuǎn)時的不平衡效果，使用hsk刀柄可以保證很高的重復(fù)安裝精度。顯然，在對銑刀進(jìn)行動平衡時，把e值（此時用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)已被世界上的工具制造廠家所采用，除德國的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。