高速銑刀安全性設計理論與方法

摘要：針對切削速度大幅度提高引發的銑刀安全性問題，主要介紹了高速銑刀安全性研究與設計的相關理論和方法，將高速銑刀安全性劃分為安全穩定性和安全完整性兩部分，指出在高速銑刀未發生完整性破壞之前，其安全性存在一個動態衰退過程，對相關的高速銑刀切削穩定性、刀具材料設計中的跨尺度關聯、銑刀設計沖突與多層次功能耦合、銑刀設計與安全性評價中的不確定性等問題進行了分析和論述，提出高速銑刀安全性衰退機理與銑刀評價和整體優化設計應重點解決的關鍵問題。

關鍵詞：高速銑刀；安全性衰退；銑刀完整性；安全穩定性

中圖分類號：TG714 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2013）02-0063-05

0、引言

目前，數控機床最高主軸轉速普遍從8 000～12 000 r/min提高到18 000～24000 r/min，主軸轉速40 000～100 000 r/min高速加工機床已經應用于生產，切削技術進入了以高速切削、高效切削為主要特征的現代切削技術新階段，工序集約化和高速加工設備通用化使得高速銑削成為裝備制造業關鍵零部件高效、高精度和高柔性加工首選工藝方案。

建立在高性能機床全面發展基礎之上的高速銑削技術，其技術核心是采用安全可靠刀具，以高切削速度和高進給速度進行高精確度和高表面質量加工，與中低速銑削刀具不同，高速旋轉的銑刀承受著很大的離心力，積聚著巨大的能量，當主軸轉速接近銑刀結構強度的臨界轉速時，極易導致銑刀夾緊力失效和刀體爆碎，造成重大事故和人身傷害；同時，高速銑刀的不平衡會對主軸系統產生一個附加的徑向載荷，對加工質量、刀具使用壽命和機床精確度產生直接影響，高速銑削加工中存在的上述問題，使得銑刀安全性受到廣泛關注心。

目前，高速銑刀安全性研究和產品設計主要遵循IS015641標準，但該標準的根本目的是避免高速加工中銑刀產生永久性變形、折斷和解體等破壞性事故，并沒有考慮到銑刀安全穩定性對高速切削過程的影響，無法解決非破壞性條件下高速銑刀安全性衰退問題，高速銑刀安全性在數據清晰度和完整性方面存在諸多問題，有待深入研究。

1、高速銑刀安全性

20世紀80年代，銑刀的安全性問題開始受到廣泛重視，20世紀90年代初，德國制訂了《高速銑刀的安全要求》（DIN6589，1）標準草案。2001年，在該標準草案基礎上制定的《高速銑刀安全性要求》（IS015641）國際標準，成為各國高速銑刀安全性的指導性文件。除德國公司推出的高速銑刀外，日本Tungaloy公司的DIA9000加工鋁合金專用銑刀、住友電工公司的專用Sumidia金剛石銑刀等在結構上都作了改進，以適應高速加工的需要，其推薦的切削速度為3 000～5 000 m/min；美國Valenite公司推出直徑3—12in高速銑刀，采用的鋁合金刀體經表面處理后硬度達60HRC，其安全性和切削效率得到顯著提高；在高速銑刀動平衡方面，美國平衡技術公司和德國申克公司推出的刀具動平衡機可以將刀具平衡到G1.0，為銑刀動平衡精度測試提供了有效手段，上述研究與應用實踐結果表明，IS015641標準不僅規定了設計者、制造商和供應商在高速銑刀安全性方面承擔的責任和義務，而且將銑刀安全性確立為進行高速銑削加工必需滿足的重要前提條件。

依據安全系統工程理論，高速銑刀安全性是指高轉速條件下銑刀保持其“完整”與“穩定”狀態的能力，研究表明，隨著轉速的提高，銑刀與工件之間的沖擊、碰撞加劇，導致銑刀組件變形和位移量逐漸增大，高速銑刀質量分布隨之發生改變，動平衡精確度下降，在遠低于IS015641標準規定的安全轉速工況下，高速銑刀安全穩定狀態開始惡化，在未發生銑刀完整性破壞之前，高速銑刀安全性存在一個動態衰退過程，如圖1所示。

安全是相對的，沒有絕對的安全，不同切削條件下高速銑刀安全性會發生變化，高速銑刀刀體隨轉速提高而產生的彈塑性變形如圖2所示。

在轉速小于26 500 r/min范圍內，銑刀膨脹變形量不超過0.05 mm，未發生銑刀完整性破壞，滿足IS015641標準規定，但隨轉速提高逐漸增大的刀體彈塑性變形，不可避免地會引起銑刀組件相對位移量的增加和銑刀質量分布的改變，導致銑刀刀齒偏置和動平衡精確度下降；與此同時，銑刀與工件之間發生的瞬間沖擊、碰撞，會使內部已經聚積較大能量的銑刀組件材料產生激烈應變，內應力急劇增大，由此引起的微觀組織結構變化必然會導致銑刀材料宏觀性能上的響應，其結果加劇了銑刀形變和刀齒偏置程度，以及動平衡精確度急劇下降，在遠低于額定切削速度的工況下出現的振動會帶來已加工表面粗糙度增加，加工精確度降低，刀具磨損加劇和工作環境受到噪音污染等問題，該結果表明，高速銑刀安全性具有動態特性，在小于IS015641標準規定的安全轉速條件下，安全穩定性隨轉速提高而下降，高速銑刀存在安全性衰退問題。

目前，高速銑刀安全穩定性研究處于探索階段，尚未形成完整的研究體系，在高速銑刀產品設計和高速銑削加工中仍然采用IS015641標準保證其安全性。因此，高速銑刀安全性衰退機理研究不僅是高速銑刀安全性和切削穩定性研究中的一項重要內容，也是高速銑刀設計理論與方法研究的一個新方向。

2、高速銑刀切削穩定性

高速銑刀是一種典型的高效斷續切削刀具，銑刀與工件周期性撞擊和殘余不平衡量極易產生振動，抑制高速銑削加工中的振動是高速銑削動力學特性研究的重要內容。高速銑削加工中的振動可分為自由振動、強迫振動、自激振動和低幅值隨機振動，其中，強迫振動和自激振動與加工系統本身關系密切，對加工表面質量、加工效率和刀具使用壽命影響較大，防振、消振比較困難，為了實現少無振動的高速穩定切削，國內外學者和研究機構對此作了大量研究工作。

T.Insperger等分析了單自由度模型的高速銑削動態穩定性和徑向切深對振顫頻率與穩定性極限的影響，J.Gradisek等通過對兩個自由度模型的高速銑削動態穩定性極限預測，對高速銑削振顫形式進行了較為細致的研究，山東大學唐委校等建立了考慮高轉速下離心力和陀螺力矩等多變量影響的高速切削系統多自由度動力學模型，給出了在高切削速度下考慮多自由度系統的高階固有頻率影響的切削穩定性極限判據及其預測分析方法。天津大學劉志新等針對球頭銑刀推導了考慮再生顫振的銑削力模型，并根據動態切削力公式系統地研究了高速銑削的切削穩定性問題，C.K.Toh、E.Solis、R.P.H。Faassen、C.Su、T.L.Schmit等在高速銑削振動和切削穩定性分析方法、高速銑削振顫和再生振顫預報等方面進行了較深入研究。T.Schmitz、S.Smith等研究了高速銑削動態性能、刀尖頻率響應和銑刀長度對切削穩定性影響，北京航空航天大學李忠群等針對建立的考慮再生效果的動態銑削力模型，獲得了顫振穩定性葉瓣圖時域解。

由上述文獻可以看出，國內外學者在自激振動引起的切削顫振方面做了較深入研究，但對切削過程中離心力和動態切削力引起的強迫振動研究較少，主要原因是認為切削中的強迫振動可以通過修改系統結構，調整切削參數和采用減振裝置避免，然而，工件形狀日益復雜化和高速銑刀結構的多樣化使其動力學特性建模、調整和檢測較難達到實用化程度，而切削速度和進給速度成倍提高引起的強迫振動，不僅導致加工表面質量較差，而且明顯降低高速銑刀安全性，由此引起的不穩定切削和非破壞性安全問題已越來越受到重視。

3、刀具材料設計中的跨尺度關聯

高速銑削時，刀具與工件周期性沖擊接觸和切削速度的變化會造成刀具材料應力的激變，這種應力激變會引起高速銑刀組件宏觀、介觀和微觀層次結構、性質的改變，因此，高速銑刀安全性衰退是在非線性多強場交互與耦合作用和引入雜質元素條件下，真實材料微觀層次的化學鍵合發生改變，從而引起介觀層次的晶面解理、位錯形核、位錯運動和塞積、微裂紋擴展、晶界遷移、位錯攀移等變化，最終導致宏觀層次形變、斷裂的演變過程，屬于材料科學中的典型跨尺度現象。

中南大學陶輝錦等根據時間和空間尺度，將宏觀、介觀和微觀三個層次結構進行了更加簡潔和清晰的劃分如圖3所示。

由圖3可以看出，材料設計從微觀到宏觀依次關聯量子力學、分子動力學、缺陷動力學、微觀結構動力學和連續介質力學等理論，在這三個層次的結構理論中大尺度層次理論涉及的尺度范圍更加細微，三者之間相互關聯并存在相互溝通的兩座理論橋梁，一是微觀與介觀之間的量子力學；二是介觀與宏觀之間的分子動力學，通過這兩座橋梁，微觀層次的信息傳遞給介觀層次的理論與模型，介觀層次獲得的信息傳遞給宏觀層次的理論與模型，材料設計的任務就是在宏觀層次上全面地理解與把握材料結構與性能的關系，進而根據這種關系更加科學和有效地設計材料成分和制備工藝，最終生產出合乎各種預定性能的新材料。

材料科學的跨尺度關聯是一個非常復雜的系統科學問題，雖然在每一尺度層次上都有比較成熟的研究方法，但還沒有實現不同尺度空間理論和研究手段的完全跨越，因此，發展跨尺度關聯設計理論和研究手段，建立從微觀到宏觀的相互耦合數值計算方法，以探索各結構層次結構演化的關系，已經成為材料設計的前沿方向。

現階段，高速刀具跨尺度關聯研究較少，主要集中在刀具切削刃材料的跨尺度研究上，只有西安交通大學和山東大學等少數幾家研究機構正在開展高性能梯度功能陶瓷材料、納米復合陶瓷材料、金屬陶瓷材料微觀結構與宏觀性能關系研究，并重點解決高速切削加工刀具材料和工件材料性能的匹配性問題，上述相關研究在脆性刀具材料跨尺度研究領域，開辟了一個新方向，對深入研究刀具材料跨尺度問題具有指導意義。

4、高速銑刀設計沖突與多層次功能耦合

高速銑刀設計沖突和功能耦合是各種銑刀設計方案面臨的一個共性問題，解決高速銑刀設計中的沖突或矛盾成為銑刀產品創新的核心，TRIZ發明人Ahshuller提出了解決沖突的發明原理，建立了解決沖突的基于知識方法。但對如何確定設計中的沖突，并未提出操作性強的方法，1990年，美國Nam.P.Suh教授提出公理設計理論，該理論為實現設計的正確決策提供了定量計算方法，但受獨立公理約束，公理設計中存在功能耦合問題尚未解決，為此，JOHNNESSON、SU.J.C.Y、KANG等分別提出了不方法，試圖解決結構設計中的功能耦合問題，但均有一定局限性，只能解決較為簡單的耦合問題，無法適用于耦合功能數目較多的復雜產品耦合設計，于學軍等將網絡分析法（ANP理論）應用于公理設計中功能耦合的研究，建立功能要求間交互作用的ANP理論通用模型，提出交互作用的測評算法和忽略交互作用判別方法，該方法為設計人員指明改進設計的方向，但其有效性有待于在實際應用中對其完善和提高，曹鵬彬等針對復雜產品公理設計中的耦合因素和耦合設計問題，提出處理耦合因素的策略，上述研究為高速銑刀產品設計方案規劃提供了有效指導，但按照所提方法確定的設計順序進行求解得到的設計結果只構成原產品設計問題的近似解，目前，高速銑刀功能耦合問題解決方法有待進一步研究。

5、高速銑刀設計與安全性評價

在高速銑刀設計與安全性評價方面，由于內外擾動因素的存在和認知水平的局限，所得到的信息具有模糊性和不確定性。灰色系統理論作為解決此類不確定性問題的理論和方法，在眾多領域成功應用的范例，為研究和解決高速銑刀設計與安全穩定性評價中的不確定性問題提供了一條有效途徑。

目前，國內外在高速銑刀安全完整性、高速銑刀動力學特性建模與自激振動引起的不穩切削、材料層次結構劃分、脆性刀具材料跨尺度研究、產品功能規劃與設計決策中的功能耦合分析，以及不確定性問題分析方法研究方面取得了一些很有意義的成果，但要揭示高速銑刀安全性衰退機理，實現高速銑刀安全性設計還存在一些問題尚未解決或需要進一步研究：

1）目前，高速銑刀安全穩定性的研究還很不成熟，沒有形成完整的理論體系，IS015641標準有待完善；工件和高速銑刀結構的多樣化使高速銑削工藝系統具有一定開放性，高速銑削動力學特性建模和檢測困難，防振、消振措施難以達到實用化程度，無法滿足高速銑削離散型工藝要求，有待進一步研究。

2）受內外擾動因素的影響，高速銑刀安全性衰退與刀具組件材料、結構和切削振動之間的內在聯系尚不明晰，對高速銑刀安全性衰退影響因素及其交互作用的認知具有模糊性和不確定性，有必要在高速銑刀安全的動態特性和銑刀設計上的不確定性問題進行系統研究。

3）目前，由于缺乏對高速銑刀材料微觀結構與宏觀結構、性能之間內在聯系的研究、它們在多強場作用下演變行為無法進行定量描述，新型高速銑刀開發缺乏科學的理論依據，有必要對此進行深入研究。

4）現階段，對高速銑刀產品進行整體優化設計時，面臨的待解決的問題是各銑刀組件能否求解或采用何種方式求解才能使得最終結果收斂于銑刀整體最優解，此外，對高速銑刀安全穩定性設計模型產生的功能冗余和底層功能跨尺度關聯設計上存在的沖突與功能耦合的判斷、處理尚無有效解決方法，有待加強研究，用以指導高速銑刀跨尺度關聯設計。

6、結語

安全穩定性既是高速銑刀在較高層次上的安全性需求，也是實現高速穩定切削的基礎，不僅綜合反映了銑刀在高速切削過程中的安全狀態和表現，而且能夠較全面地反映出銑刀產品經濟和社會滿意度，是檢驗高速銑刀產品能否滿足關鍵零部件高效、高精確度加工安全性需求的最終判據，因此，研究高速銑刀安全性衰退機理，提高銑刀安全穩定性將成為高速銑刀設計研究領域一個新的發展方向，對高速銑削技術的發展與應用起到積極推動作用。