高速切削刀具的安全性

高速切削时，高速旋转着的工件、夹具、刀具积聚着很大的能量，承受着很大的离心

力，当主轴转速达40000r／min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹，可

能造成重大的事故和伤害。因此，解决伴随着高速切削而出现的安全问题成为进一步推广高

速切削的前提*

高速刀具安全性涉及的主要对象是高速旋转的铣刀和铿刀，尤其是高速铣刀，因为高速

铣削已在模具工业、航空工业和汽车工业得到应用，显示出很大的优越性。所以研究高速铣

刀的安全性更具有紧迫性和现实性。德国早在20世纪90年代初就开始对高速铣刀安全技术

进行了研究，取得了一系列实用性的成果，制订的DIN6589—l“高速铣刀的安全要求”标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法和标准，该标准已经成为高速铣刀安全性的指导性文件。

对于机夹可转位刀片铣刀的安全性，除了刀体的强度外，还有零件、刀片夹紧的可靠性。为了能在设计阶段对刀具的结构强度在离心力作用下受力和变形情况进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下应力大小，模拟失效过程和改进设计方案。有限元模

型包括如图8—13所示的刀体与刀片座、刀片、夹紧螺钉三部分。首先计算刀体(包括螺钉、刀片等零件的质量)的纯弹性交形，接着对分离出来的刀座做详细的分桥，把前面获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体上。然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的

摩擦副组成了刀片央紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动，以及螺钉在夹紧时的变形，可计算在不同转速下的刀片位移和螺钉受力大小。

根据计算和试验，机夹可转位铣刀在高速下的失效可有两种形式：一种形式是夹紧刀片的螺钉被剪断，刀片或其他夹紧元件甩飞；另一种形式是刀体的银碎。在多数情况下首先出现的是前一种失效，即在较低的速度下出现零件甩飞，随着转速进一步提高达到刀体强度的临界值，才出现后一种失效，刀体爆碎。图8—14为模拟计算显示的这两种失效过程与转速的关系。在静止状态下刀片的夹紧力对刀体产生一个向心的变形，随着转速增加，一方面刀体弹性膨胀，刀片随刀体一起向外胀。同时，刀片的离心力克服螺钉夹紧力，使向心夹紧力和变形量逐渐减小，直至完全离开刀座的径向支撑，此时夹紧已完全失效，即达到曲线上的拐点，拐点以后，刀片开始迅速外移直至甩飞。

对一把80mm直径的直角面铣刀的模拟计算结果表明，夹紧螺钉在30000一35000r／min时已达到失效的临界状态，刀体的失效临界状态出现在600肋r／min以上。同一把铣刀的爆碎试验表明，在30000一35000r／min范围里，螺钉的夹紧完全失效，所有被试验刀具其一个或多个螺钉被剪断，其余的螺钉产生强烈塑性变形，刀片已离开刀座支撑面o．1一o．5mm。因此，机夹铣刀首先发生的是零件甩飞的失效。与刀体爆碎造成的损害相比，由于零件质量轻、转速相对较低，甩飞造成的损害要小得多，但却使刀具失去了使用性能。对刀片甩飞前位移过程的测量研究表明，在转速上升至13000r／min的过程中，刀片的位移可达45P”。由于刀体变形的不均匀，以及每个刀片夹紧状态、摩擦条件等差异，一把铣刀的4个刀片可有15—20pm的分散。转速达到16000 r／min时，刀片的主偏角偏转了o．36。这些结果不仅对于安全性，而且对于分析高速切削的加工精度也有价值*

模拟计算和瀑碎试验研究结果表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩接力

夹紧，要用带中心孔的刀片，用螺钉夹紧*与安全有关的结构参数包括刀片中心孔相对刀座

螺钉孔的偏心量、刀片中心孔和螺钉头的形状。这些因素决定螺钉在静止状态下夹紧刀片时

所受到的预应力大小，过大的预应力甚至能使螺钉产生塑性变形，降低了夹紧系统失效转

速。刀具旋转时．刀片的离心力对螺钉产生新的作用力．两力更加使螺钉剪断或严重塑性变

形。一个78重的刀片(铣刀直径80mm＞，30000 r／min时可产生2500N的离心力。因此，

改进夹紧系统，提高螺钉甩飞的失效转速，可以发挥高速铣刀的潜力。日本三菱金属公司开

发的ocATcuT系列高速铣刀，其刀座与刀片结构如图8—15所示。其利用一个底面团键的

配合，改善了夹紧的可靠性，使这类铣刀的甩飞失效转速提高24％。图8—16是无孔刀片的防甩飞设计。