高速铣削刀具的安全性技术

一、引言

高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷,而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂,因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。

二、高速铣刀安全性技术研究的现状

20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究,并制订了DIN6589-1《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,在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见,规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。

2.1高速铣刀的安全失效形式与试验方法

标准草案规定了高速切削的速度界限,超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷,必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中,曲线以上区域为该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(整体或焊接刀具),其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围；对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具,高速切削范围为线段BC以上区域。

高速铣刀的安全失效形式有两种:变形和破裂。不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀,有两种安全试验方法:一种方法是在1.6倍最大使用转速下进行试验,刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验,刀具不发生破裂(包括夹紧刀片的螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等)。而对于整体式铣刀,则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。

2.2高速铣刀强度计算模型

高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的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,由于刀具形状的复杂性,用经典力学理论计算得出的结果误差很大,常常不能满足安全性设计的要求。

为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形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的应力大小,模拟失效过程和改进设计方案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体(包括螺钉、刀片等零件质量)的弹性变形,再对分离出的刀座作详细分析,把所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型,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,可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。

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