高速铣削刀具安全技术现状电子加工

高速铣削刀具安全技术现状

高速铣削刀具安全技术现状 2011年12月04日 来源： 提高切削速度是金属切削技术长期追求的目标，也是切削加工提高效率、降低成本的主要措施。机械加工的历史证明，切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效益，切削速度的提高还反映着机械制造整体技术水平的进步。从八十年代中期开始，制造技术进入了一个全面发展的新时期，其特点是以提高切削速度和进给速度为目标，主要内容包括高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速CNC控制系统、高刚性的机床结构、超硬刀具材料和涂层工艺技术等。制造技术的全面进展正在把切削技术推向高速切削(HSC)的新阶段。与五六十年代推广硬质合金刀具时的所谓高速切削相比，这一轮的高速切削不仅切削速度有成倍的提高，而且可配合采用高的进给速度和小的切削深度，在实现高生产率的同时使切削力减小，从而还提高了加工质量。目前，高速切削已经在航空工业、模具工业和轿车工业受到重视，正在向更广的应用领域拓展。高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速10000～20000r/min以上视为高速切削。因为在这个转速范围以上，对刀具材料、结构、装夹以及机床的主轴、结构、进给驱动和CNC系统都提出了特殊的要求，需要开发新的技术，其中铣刀结构的安全性就是发展高速切削所必须解决的一个技术问题。铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、立铣刀和模具铣刀。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。图1所示为一把德国Walter公司的面铣刀在36700r/min时爆碎后的状态。图2为一把直径12mm的带柄铣刀在转速达到36000r/min时弯曲、断裂的情形。这种破损一旦发生，操作者往往来不及采取制止措施或躲避，刀体爆飞的碎块或甩出的零件会对操作者造成重大伤害，使机床设备、加工工件严重损坏，带来很大的直接经济损失，甚至造成停工停产，影响产品的交货，并引起刀具制造商与用户之间的法律纠纷。因此，研究高速铣刀的安全性技术，防止这种由离心力引起的工具损坏，是进一步发展和应用高速切削的必要前提，具有重要的现实意义。

德国在九十年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究，在机器制造商协会(VDMA)的支持下，以达姆斯塔特(Darmstadt)大学制造技术与机床研究所为核心，组成了由刀具制造厂、研究所和用户参加的工作组，从事高速铣刀安全性技术的研究。经过近十年的工作，取得了一系列阶段性成果，推动了世界范围内高速切削技术的发展。下面介绍他们的主要研究成果。首先，试验证明普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求，因为普通铣刀并非为高速切削而设计，没有经过一定的强度计算和安全检验。用这类刀具加工铝合金时，还没有达到被加工材料最佳切削速度的一半，刀体或刀片的夹紧系统就失效了。工作组首先就“高速旋转铣刀设计和试验指导意见”进行了研究，在此基础上，于1994年起草了《高速旋转铣刀的安全性要求》DIN标准，从法律角度规范制造商和用户在设计、制造和使用高速铣刀时的行为和责任，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导意见，规定了统一的安全性检验方法，以提高刀具制造商和用户的安全意识，保证高速铣削的安全。标准草案规定了它的适用范围，即高速切削的速度界限，超过这一界限，离心力成为铣刀的主要载荷，则必须采用安全技术。如图3所示，曲(折)线以上的区域为标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具(整体刀具或焊接刀具)，高速切削范围为切削速度≥1000m/min，即线段AB以上的区域；对于直径d1＞32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上的区域。标准规定的安全性检测包括形式检验和样品刀具的离心力试验。形式检验的内容包括对设计图纸、计算资料、尺寸、装配状态和外观的检查。样品刀具的离心力试验分两种情况：对于机夹式刀具，在1.6倍于最大使用转速(np＝1.6nmax)下试验，刀具的永久变形或零件的位移不超过0.05mm，或者在2倍于最大使用转速(np=2nmax)下试验，刀具不发生爆碎；对于整体式刀具则必须在np=2nmax条件下试验而不发生弯曲或断裂。标准要求制造商应把刀具的最大使用转速(nmax)和有关特征参数、商标清晰地、永久性地标示在刀具上，并随刀具向用户提供必要的证明文件和安全使用说明。标准还提供了高速铣刀设计的指导意见。在标准规定的安全性技术的指导和监督下，目前德国生产的高速铣刀已经达到很高的安全性。图4是由离心力破坏试验所得数据的一个例子，直径80mm和200mm的铣刀分别约在35000r/min和25000r/min时爆碎，考虑安全系数2，则允许的最大使用速度可分别达到4000m/min和7800m/min。Mapal公司的PCD高速铣刀系列在考虑了安全系数4以后，所推荐的允许最大切削速度分别为6700m/min(铣刀直径80mm)和8400m/min(铣刀直径200mm)。为了满足刀具样品离心力试验的需要，达姆斯塔特大学引入了一台试验装置，最高转速可达210000r/min，试验范围为：刀具长度250mm，刀具直径200mm，刀具重量10kg，并制定了标准的试验程序。这个标准草案后来作为德国DIN标准建议提交给欧洲标准化委员会，并于1995年被采纳，同期也作为ISO的国际标准建议征询会员国的意见，表明高速铣刀的安全性在国际上取得了广泛的共识。

图3

图4

为了加快高速铣刀的开发过程，工作组还就高速铣刀的强度计算进行了研究。指出防止离心力造成的破坏关键在于刀体的强度是否足够，机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀体形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果有很大的误差，不能满足安全性设计的要求。为此，达姆斯塔特大学与斯马尔卡登(Schmalkalden)制造技术开发公司合作开发了专门用于高速铣刀的有限元计算方法，该方法可以模拟在不同转速下刀具应力的大小和分布(如图5所示)，分别开发了刀体、刀座、刀片、夹紧螺钉的计算模块，通过这些模块的组合实现整个刀具的计算。该方法还能模拟刀片在刀座里的滑动、螺钉头在拧紧和工作载荷下的变形。计算显示，当转速达到30000～35000r/min时，螺钉已达临界应力而出现拉伸变形，在达到临界速度之前，螺钉首先产生弯曲，夹紧力下降，刀片发生位移。在实际应用中，将模拟设计计算与样品的离心力试验验证结合起来，并从试验所获刀具变形、刀片位移的数据中得到建立模型所需要的边界条件。使用有限元计算模型可以在设计阶段就分析刀具的结构，预测失效的状态，从而可减少样品试验的反复次数，加快高速铣刀开发过程，降低开发费用，并且可使刀具的性能进一步提高。按此方法开发的直角铣刀的几何变形量可减小20%，失效转速可提高10%。

图5

高速铣刀安全标准的制定和有限元计算模型的开发，对高速铣刀的设计和使用提出了以下改进意见：1.刀体材料为了减轻和承受离心力的作用，要求刀体材料的比重要小，强度要高，现在有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。标准建议，刀体材料的选择应取决于材料拉伸强度与密度的比值和应用的转速范围。图6是用不同刀体材料制造的DIN8030系列铣刀的极限切削速度比较。钛合金由于对切口的敏感性不宜用于制造刀体。2,刀具结构刀体上的槽(包括刀座槽、容屑槽、键槽)会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。需使用接头、加长柄等连接件时也应避免游隙和提高重复定位性。实际上，高速铣刀大多采用HSK刀柄与机床主轴连接甚至做成整体式结构，以提高刚性和安装重复定位精度。此外，机夹式高速铣刀的直径趋小，高度增加，刀齿数也趋少，有的只有两个刀齿，这种结构便于调整刀齿的跳动，提高加工质量。

3,刀具(片)的夹紧方式刀具与主轴的连接宜采用HSK锥柄或类似的锥柄结构。可转位刀片应有中心螺钉孔或有可卡住的空刀窝。例如有一种可转位刀片，刀片底面有一个圆的空刀窝，可与刀体上的凸起相配合，对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，还要控制螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，现在有两种高精度、高刚性的夹紧方法：液压夹头和热冷胀缩夹头。两者比较，后者的夹持精度更高，传递的扭矩比前者大1.5～2倍，径向刚性高2～3倍，能承受更大的离心力，更适合于整体硬质合金铣刀高速铣削淬硬的模具。日本和德国都开发了相应的加热装置用于刀具的装卸。这种夹头的缺点是适用的直径范围小，刀具装卸费时。4,刀具的动平衡在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响。因此《高速旋转铣刀的安全性要求》标准规定，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940/1规定的G40平衡质量等级，即铣刀的单位重量允许不平衡量e不超过3.8197×105/nmax(mm×g/kg)，式中nmax为最大使用转速。为此，在机夹铣刀的结构上要设置调节动平衡的位置。实际上，目前某些精加工高速铣刀(或镗刀)不平衡质量已达到G2.5级(e＝0.23873×105/nmax)，平衡性比G40级好得多，而美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0级。铣刀在机床主轴上的重复安装精度也会影响铣刀旋转时的不平衡效果，使用HSK刀柄可以保证很高的重复安装精度。显然，在对铣刀进行动平衡时，把e值(此时用μm作单位)调节到小于刀具的重复安装精度(μm)是徒劳的。目前，安全性技术已被世界上著名的工具制造厂家所采用，除德国的Walter、Mapal等公司推出的高速铣刀外，日本东芝Tungaloy公司的DIA9000加工铝合金用铣刀、住友电工公司的专用SUMIDIA金刚石铣刀等在结构上都作了改进，以适应高速加工的需要，推荐的切削速度为3000～5000m/min。美国Valenite公司推出直径从3英寸至12英寸的高速铣刀，其铝合金刀体经表面处理后硬度达60HRC，提高了刀体的耐磨性。

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