德国对高速铣刀安全性技术的研究

    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。

    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%。