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    技術(shù)文章

    高速切削刀具的安全性

    閱讀:184          發(fā)布時間:2021-11-14

    高速切削刀具的安全性

    高速切削時,高速旋轉(zhuǎn)著的工件、夾具、刀具積聚著很大的能量,承受著很大的離心

    力,當主軸轉(zhuǎn)速達40000r/min時,若有刀片崩裂,掉下來的刀具碎片就像出膛的,可

    能造成重大的事故和傷害。因此,解決伴隨著高速切削而出現(xiàn)的安全問題成為進一步推廣高

    速切削的前提*

    高速刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉(zhuǎn)的銑刀和鏗刀,尤其是高速銑刀,因為高速

    銑削已在模具工業(yè)、航空工業(yè)和汽車工業(yè)得到應用,顯示出很大的*性。所以研究高速銑

    刀的安全性更具有緊迫性和現(xiàn)實性。德國早在20世紀90年代初就開始對高速銑刀安全技術(shù)

    進行了研究,取得了一系列實用性的成果,制訂的DIN6589—l“高速銑刀的安全要求”標準草案,規(guī)定了高速銑刀失效的試驗方法和標準,該標準已經(jīng)成為高速銑刀安全性的指導性文件。

    對于機夾可轉(zhuǎn)位刀片銑刀的安全性,除了刀體的強度外,還有零件、刀片夾緊的可靠性。為了能在設(shè)計階段對刀具的結(jié)構(gòu)強度在離心力作用下受力和變形情況進行定性和定量的分析,可通過有限元方法計算不同轉(zhuǎn)速下應力大小,模擬失效過程和改進設(shè)計方案。有限元模

    型包括如圖8—13所示的刀體與刀片座、刀片、夾緊螺釘三部分。首先計算刀體(包括螺釘、刀片等零件的質(zhì)量)的純彈性交形,接著對分離出來的刀座做詳細的分橋,把前面獲得的刀體彈性變形作為邊界條件加到刀座分離體上。然后由切出的刀座、刀片、螺釘及無質(zhì)量的

    摩擦副組成了刀片央緊系統(tǒng)的模型,進行夾緊的可靠性分析。有限元模型能模擬刀片在刀座里的傾斜、滑動、轉(zhuǎn)動,以及螺釘在夾緊時的變形,可計算在不同轉(zhuǎn)速下的刀片位移和螺釘受力大小。

    根據(jù)計算和試驗,機夾可轉(zhuǎn)位銑刀在高速下的失效可有兩種形式:一種形式是夾緊刀片的螺釘被剪斷,刀片或其他夾緊元件甩飛;另一種形式是刀體的銀碎。在多數(shù)情況下首先出現(xiàn)的是前一種失效,即在較低的速度下出現(xiàn)零件甩飛,隨著轉(zhuǎn)速進一步提高達到刀體強度的臨界值,才出現(xiàn)后一種失效,刀體爆碎。圖8—14為模擬計算顯示的這兩種失效過程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。在靜止狀態(tài)下刀片的夾緊力對刀體產(chǎn)生一個向心的變形,隨著轉(zhuǎn)速增加,一方面刀體彈性膨脹,刀片隨刀體一起向外脹。同時,刀片的離心力克服螺釘夾緊力,使向心夾緊力和變形量逐漸減小,直至*離開刀座的徑向支撐,此時夾緊已*失效,即達到曲線上的拐點,拐點以后,刀片開始迅速外移直至甩飛。

    對一把80mm直徑的直角面銑刀的模擬計算結(jié)果表明,夾緊螺釘在30000一35000r/min時已達到失效的臨界狀態(tài),刀體的失效臨界狀態(tài)出現(xiàn)在600肋r/min以上。同一把銑刀的爆碎試驗表明,在30000一35000r/min范圍里,螺釘?shù)膴A緊*失效,所有被試驗刀具其一個或多個螺釘被剪斷,其余的螺釘產(chǎn)生強烈塑性變形,刀片已離開刀座支撐面o.1一o.5mm。因此,機夾銑刀首先發(fā)生的是零件甩飛的失效。與刀體爆碎造成的損害相比,由于零件質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速相對較低,甩飛造成的損害要小得多,但卻使刀具失去了使用性能。對刀片甩飛前位移過程的測量研究表明,在轉(zhuǎn)速上升至13000r/min的過程中,刀片的位移可達45P”。由于刀體變形的不均勻,以及每個刀片夾緊狀態(tài)、摩擦條件等差異,一把銑刀的4個刀片可有15—20pm的分散。轉(zhuǎn)速達到16000 r/min時,刀片的主偏角偏轉(zhuǎn)了o.36。這些結(jié)果不僅對于安全性,而且對于分析高速切削的加工精度也有價值*

    模擬計算和瀑碎試驗研究結(jié)果表明,高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩接力

    夾緊,要用帶中心孔的刀片,用螺釘夾緊*與安全有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括刀片中心孔相對刀座

    螺釘孔的偏心量、刀片中心孔和螺釘頭的形狀。這些因素決定螺釘在靜止狀態(tài)下夾緊刀片時

    所受到的預應力大小,過大的預應力甚至能使螺釘產(chǎn)生塑性變形,降低了夾緊系統(tǒng)失效轉(zhuǎn)

    速。刀具旋轉(zhuǎn)時.刀片的離心力對螺釘產(chǎn)生新的作用力.兩力更加使螺釘剪斷或嚴重塑性變

    形。一個78重的刀片(銑刀直徑80mm>,30000 r/min時可產(chǎn)生2500N的離心力。因此,

    改進夾緊系統(tǒng),提高螺釘甩飛的失效轉(zhuǎn)速,可以發(fā)揮高速銑刀的潛力。日本三菱金屬公司開

    發(fā)的ocATcuT系列高速銑刀,其刀座與刀片結(jié)構(gòu)如圖8—15所示。其利用一個底面團鍵的

    配合,改善了夾緊的可靠性,使這類銑刀的甩飛失效轉(zhuǎn)速提高24%。圖8—16是無孔刀片的防甩飛設(shè)計。

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