德國(guó)對(duì)高速銑刀安全性技術(shù)的研究

    德國(guó)在九十年代初就開(kāi)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(guò)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O(shè)計(jì)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)一定的強(qiáng)度計(jì)算和安全檢驗(yàn)。用這類(lèi)刀具加工鋁合金時(shí)，還沒(méi)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(jiàn)”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(jiàn)，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(guò)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(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(guò)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(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)還提供了高速銑刀設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意見(jiàn)。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。圖4是由離心力破壞試驗(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(lái)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(jiàn)，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(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)公司合作開(kāi)發(fā)了專門(mén)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(kāi)發(fā)了刀體、刀座、刀片、夾緊螺釘?shù)挠?jì)算模塊，通過(guò)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(lái)，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(kāi)發(fā)過(guò)程，降低開(kāi)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(kāi)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%。