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警惕刀具在高速度下使用的安全性-(XINWEN)

发布时间:2021-10-04 21:20:18 阅读: 来源:氧化铁红厂家

2011年的7月23日,我们听到了一个举国震惊的噩耗:铁路甬温线发生特大铁路交通事故,当晚点34分,从北京开往福州的动车D301行驶在浙江温州段时,与杭州开往温州方向的D3115列车追尾相撞,造成40人死亡,近200人受伤入院治疗。相撞之后的车体破损之严重大家可能都已经见过了,给我的感觉似乎是被美军的导弹击中一样。

动车追尾为什么会造成如此之大?列车的速度是一个非常重要的因素。物理中的经典力学告诉我们,物体所受合外力的冲量等于它的动量的变化,叫做动量定理。也就是说,动量的变化量越大,它所产生的冲量也就越大。而动量则是物体的质量和速度的乘积。大家从这个定义中就可以明白,在相同质量的条件下,如果一个物体的速度越高,它的动量也越大,即它有可能带来的冲量越大。

与高速铁路比传统铁路速度高1倍或更多些类似,高速切削是比传统切削的切削速度要高2~4倍,达到传统切削的3~5倍。因此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。而这样的破碎或者解体,可能会带来很大的安全隐患。

几年以前,笔者了解到一个真实的实例:国内著名大学山东大学的金属切削实验室曾从国内一工具厂商除,采购了一把直径为100mm的可转位硬质合金面铣刀准备进行一次高速切削的实验。但是,当实验室将这把刀具安装到机床主轴上,将主轴转速提升至每分钟5000转时,出乎意料的事件发生了:刀盘上那个原本由楔块压着的刀片脱离了与楔块间摩擦力的束缚,如离弦之箭似的飞了出来。还算幸运,除了“咣当”一声动静挺大,飞出的刀片只是砸到了机床的防护钢板还算是幸运的。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,整个破碎的安全玻璃像一张挂在机床框架上的蜘蛛网,看得我胆颤心惊。

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1.26kg·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1.20kg·m/s)。而这样的一个切削速度大约与高速铁路原定的运行速度相当或稍快、稍慢。因此,我们看到7.23动车相撞事故后乘客和列车所受伤害之重也就可以想像了。

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(即在绿色部分),则不需要作如此要求。

这是一个明显有冗余量的安全性要求。笔者认为,在安全性方面,保持一定的冗余是确保安全的重要方法。在温甬铁路7.23动车追尾事故发生后,我国政府也更认识到冗余的重要性。8月10日,温家宝总理主持召开国务院常务会议,其中的一个决定就是适当降低新建高速铁路运营初期的速度。铁道部党组书记、部长盛光祖也表达了增加高铁安全冗余的意愿。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。但对于未执行这样高速切削刀具的安全性标准,我们在选用时需要更加慎重。从温甬铁路的重大事故中汲取教训的角度考虑,笔者建议只在绿色的范围内使用那些未执行安全性标准的刀具产品,而绝不冒安全风险在更高的速度下使用这些刀具。

7.23动车追尾事故的正式调查报告在笔者撰写此文时还尚未公布。但是,我们知道大致与天气、信号系统、人工调度、信息同胞等多个因素相关。高速切削的安全性与高铁的安全性类似,并不是与一个因素有关,而是和很多因素有关。安全需要所有的因素都达到高速切削的要求,任何一个因素的不到位都可能会削弱高速加工的安全性。

刀具在高速切削下使用的安全性首先要从设计环节开始进行保障。防止应力集中是一个极其重要的手段。我们应在设计阶段通过一些仿真切削软件进行模拟加工,寻找刀具的结构缺陷并加以改进,以提高刀具在高速切削下的安全性。

刀片式铣刀的结构与安全性有很大关系。如前所属,山东大学在使用的刀片飞出的铣刀,是国内普遍采用的楔块时夹紧方式。这种夹紧方式完全依靠摩擦力来抵御离心力,如果楔块的平整度较差,或楔块压紧面与刀座底面平行度/刀片顶面底面平行度较低,楔块与刀片之间的接触面较小,摩擦力也较小,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,用螺钉夹紧的平装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。研究还表明,即使同样是螺钉夹紧,不同的夹紧机构在高速切削时的安全性也不相同,如通常立装刀片的夹紧安全性高于平装刀片,刀片安装螺钉轴线与刀片基准面的夹角设计也对夹紧力和夹紧可靠性有影响,从而影响刀片安装的安全性。

刀具生产商还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,这也是上面提到的安全性的冗余设计。左侧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。

刀体、螺钉和刀片材料的高韧性也是刀具安全性的有一个保障。在相同的应力条件下,材料的韧性越高,刀体、刀片、螺钉、安全销钉等诸多零件不被破坏的保障就越强,刀具也就越不易出现安全性的事故。尤其是刀片螺钉,很多人认为它是个不起眼的小零件,殊不知它在强度、韧性等方面有着非常高的要求。如我们对其不给予必要的重视,一旦出起安全事故,我们可能就欲哭无泪了。

另外,刀具在高速度下使用的安全性不仅需要刀具设计制造环节合乎高速切削的需要,在使用方面同样要注意一些问题。比如,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,笔者前面已经提过高速切削中螺钉有很高的强度和韧性的要求,若使用了不符合这种要求的螺钉,就会有一定的隐患;刀片安装时保证规定扭矩,因为如果扭矩不够,螺钉压紧力不足,刀片和定位底面的摩擦力就会不够,刀片容易飞出,而如果扭矩过大,螺钉容易被拉长,也就是螺距出现偏差,这对于维持螺钉的夹紧力也非常不利;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。

笔者的结论是,我们每个涉足高速切削的人,都要从技术方面采取足够的措施,在理念上充分认识高速度下安全性的重要意义,思想上极其重视这一问题,从而保证高速度下的有冗余量的安全。

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