高速切削刀具（三）

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　　三、安全性

　　由于高速切削通常会需要较高的转速，由此使刀具在巨大离心力作用下发生破碎、解体的可能性大大增加。左图的一组照片说明了这种问题不但存在，而且具有不小的危险。

　　山东大学在使用国内某知名厂商生产的直径100mm的面铣刀安装单刀片进行切削试验时，在转速增加到5000r/min时，仅有的一个刀片在离心力超过锲块摩擦力的情况下飞离了刀体，击打在机床的防护钢板上。而苏州的一个用户则比较不幸，他们的刀具破碎后碎片击中了机床的防弹玻璃，结果是玻璃被完全击碎。

　　那么，高速加工的刀具为什么会有如此大的破坏能力呢？我们作了如下的简要分析。如果一个直径40mm的可转位铣刀以40000r/min的转速进行加工，其线速度为5024m/min，即83.7m/s，以刀片重量0.015kg计算，其动量为1.26 kg·m/s。这一结果与一著名的微声手枪子弹的出膛动量相当(该手枪子弹弹头重量约0.005kg，出膛初速度为230m/s，因此动量为1.20 kg·m/s)。

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　　刀片式铣刀的结构与安全性有很大关系。山东大学在使用的刀片飞出的铣刀，是国内普遍采用的锲块时夹紧方式。这种夹紧方式完全依靠摩擦力来抵御离心力，刀片比较容易飞出，而采用螺钉夹紧方式的刀具则需要剪断螺钉才会导致刀片飞出，安全性大大提高。研究表明，用螺钉夹紧的铣刀随着转速的逐渐提高，螺钉会在离心力的作用下被拉长，刀体也会发生轻微的膨胀。大约在30000~35000r/min时已达临界应力而出现永久性的拉伸变形，而在在达到临界速度之前，螺钉已经出现弯曲现象，造成夹紧力下降，刀片也随之发生位移。

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　　因此，我们必须充分注意高速加工刀具的安全性问题，杜绝在高速切削时发生安全事故。德国高速切削的工作组就此提出的高速加工刀具安全性技术规范早已被建议成为德国标准和国际标准。该规范规定：对于刀片式的刀具，生产商必须保证在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，而在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，则应在np=2nmax条件下试验而不发生弯曲或断裂。同时要求刀具生产商必须对可用于高速切削的刀具明示其最大使用转速。在此条件下使用刀具的安全性将得到充分的安全保证。当然，对于非高速切削刀具(即在左图的绿色部分)，则不需要作如此要求。因此我们在选用高速切削刀具时应严格按照生产商提供的核定最高转速规定。但由于国内尚无高速切削刀具的安全性标准，我们在选用时需要更加慎重。

　　对于高速切削的刀具，我们应采取一定措施来保证其安全性。比如，瓦尔特要求对高速切削的刀片式刀具，使用原厂刀片锁紧螺钉以保证安全性；刀片安装时保证规定扭矩；同时在刀片更换5次后，使用新的刀片锁紧螺钉以防止螺钉因疲劳着成造成夹紧力下降，影响刀具的安全使用。

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　　同样，刀具生产商也应该采取措施来加强刀具在高速加工中的安全性。国外一些著名的刀具生产商近年来在刀片式刀具的开发中纷纷采用了技术措施来加强刀具的安全性，刀片与刀体间增加离心力卸载结构就是其中之一。左图的刀体上有一个突起，刀片的相应位置上则有一个凹坑，刀片的离心力可由刀片与刀体间的摩擦力、螺钉的支承力和离心力卸载结构的支承力共同承担，这样抵御刀片飞出的能力得到了加强。

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　　四、高速切削刀具的材料

　　虽然我们总是希望得到既有高的硬度以保证刀具的耐磨性，又有高的韧性来防止刀具的碎裂，但目前的技术发展还没有找到如此优越性能的刀具材料，鱼于熊掌无法兼得。因此，我们会在实际中按照需要选用更合适的刀具材料：

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　　粗加工时优先考虑刀具材料的韧性；精加工时优先考虑刀具材料的硬度。

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　　金刚石、立方氮化硼和陶瓷的技术由来已久，他们共同的特点是硬度高，脆性大，不能承受较大的冲击。

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