警惕刀具在高速度下使用的安全性

   時間:2014-03-12 02:15:24
警惕刀具在高速度下使用的安全性簡介
我們聽到了一個舉國震驚的噩耗:鐵路甬溫線發生特大鐵路交通事故,當晚點34分,從北京開往福州的動車D301行駛在浙江溫州段……
警惕刀具在高速度下使用的安全性正文
  

我們聽到了一個舉國震驚的噩耗:鐵路甬溫線發生特大鐵路交通事故,當晚點34分,從北京開往福州的動車D301行駛在浙江溫州段時,與杭州開往溫州方向的D3115列車追尾相撞,造成40人死亡,近200人受傷入院治療。相撞之後的車體破損之嚴重大家可能都已經見過了,給我的感覺似乎是被美軍的導彈擊中一樣。

動車追尾為什麼會造成如此之大?列車的速度是一個非常重要的因素。物理中的經典力學告訴我們,物體所受合外力的衝量等於它的動量的變化,叫做動量定理。也就是說,動量的變化量越大,它所產生的衝量也就越大。而動量則是物體的質量和速度的乘積。大家從這個定義中就可以明白,在相同質量的條件下,如果一個物體的速度越高,它的動量也越大,即它有可能帶來的衝量越大。

與高速鐵路比傳統鐵路速度高1倍或更多些類似,高速切削是比傳統切削的切削速度要高2~4倍,達到傳統切削的3~5倍。因此由於高速切削通常會需要較高的轉速,由此使刀具在巨大離心力作用下發生破碎、解體的可能性大大增加。而這樣的破碎或者解體,可能會帶來很大的安全隱患。

幾年以前,筆者了解到一個真實的實例:國內著名大學山東大學的金屬切削實驗室曾從國內一工具廠商除,採購了一把直徑為100mm的可轉位硬質合金面銑刀準備進行一次高速切削的實驗。但是,當實驗室將這把刀具安裝到機床主軸上,將主軸轉速提升至每分鐘5000轉時,出乎意料的事件發生了:刀盤上那個原本由楔塊壓著的刀片脫離了與楔塊間摩擦力的束縛,如離弦之箭似的飛了出來。還算幸運,除了「咣當」一聲動靜挺大,飛出的刀片只是砸到了機床的防護鋼板還算是幸運的。而蘇州的一個用戶則比較不幸,他們的刀具破碎后碎片擊中了機床的防彈玻璃,結果是玻璃被完全擊碎,整個破碎的安全玻璃像一張掛在機床框架上的蜘蛛網,看得我膽顫心驚。

那麼,高速加工的刀具為什麼會有如此大的破壞能力呢?我們作了如下的簡要分析。如果一個直徑40mm的可轉位銑刀以40000r/min的轉速進行加工,其線速度為5024m/min,即83.7m/s,以刀片重量0.015kg計算,其動量為1.26kg·m/s。這一結果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動量相當(該手槍子彈彈頭重量約0.005kg,出膛初速度為230m/s,因此動量為1.20kg·m/s)。而這樣的一個切削速度大約與高速鐵路原定的運行速度相當或稍快、稍慢。因此,我們看到7.23動車相撞事故后乘客和列車所受傷害之重也就可以想像了。

因此,我們必須充分注意高速加工刀具的安全性問題,杜絕在高速切削時發生安全事故。德國高速切削的工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術規範早已被建議成為德國標準和國際標準。該規範規定:對於刀片式的刀具,生產商必須保證在1.6倍於最大使用轉速(np=1.6nmax)下試驗,刀具的永久變形或零件的位移不超過0.05mm,而在2倍於最大使用轉速(np=2nmax)下試驗,刀具不發生爆碎;對於整體式刀具,則應在np=2nmax條件下試驗而不發生彎曲或斷裂。同時要求刀具生產商必須對可用於高速切削的刀具明示其最大使用轉速。在此條件下使用刀具的安全性將得到充分的安全保證。當然,對於非高速切削刀具(即在綠色部分),則不需要作如此要求。

這是一個明顯有冗餘量的安全性要求。筆者認為,在安全性方面,保持一定的冗餘是確保安全的重要方法。在溫甬鐵路7.23動車追尾事故發生后,我國政府也更認識到冗餘的重要性。8月10日,溫家寶總理主持召開國務院常務會議,其中的一個決定就是適當降低新建高速鐵路運營初期的速度。鐵道部黨組書記、部長盛光祖也表達了增加高鐵安全冗餘的意願。因此我們在選用高速切削刀具時應嚴格按照生產商提供的核定最高轉速規定。但對於未執行這樣高速切削刀具的安全性標準,我們在選用時需要更加慎重。從溫甬鐵路的重大事故中汲取教訓的角度考慮,筆者建議只在綠色的範圍內使用那些未執行安全性標準的刀具產品,而絕不冒安全風險在更高的速度下使用這些刀具。

7.23動車追尾事故的正式調查報告在筆者撰寫此文時還尚未公布。但是,我們知道大致與天氣、信號系統、人工調度、信息同胞等多個因素相關。高速切削的安全性與高鐵的安全性類似,並不是與一個因素有關,而是和很多因素有關。安全需要所有的因素都達到高速切削的要求,任何一個因素的不到位都可能會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從設計環節開始進行保障。防止應力集中是一個極其重要的手段。我們應在設計階段通過一些模擬切削軟體進行模擬加工,尋找刀具的結構缺陷並加以改進,以提高刀具在高速切削下的安全性。

刀片式銑刀的結構與安全性有很大關係。如前所屬,山東大學在使用的刀片飛出的銑刀,是國內普遍採用的楔塊時夾緊方式。這種夾緊方式完全依靠摩擦力來抵禦離心力,如果楔塊的平整度較差,或楔塊壓緊面與刀座底面平行度/刀片頂面底面平行度較低,楔塊與刀片之間的接觸面較小,摩擦力也較小,刀片比較容易飛出。而採用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘才會導致刀片飛出,安全性大大提高。研究表明,用螺釘夾緊的平裝銑刀隨著轉速的逐漸提高,螺釘會在離心力的作用下被拉長,刀體也會發生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時已達臨界應力而出現永久性的拉伸變形,而在在達到臨界速度之前,螺釘已經出現彎曲現象,造成夾緊力下降,刀片也隨之發生位移。研究還表明,即使同樣是螺釘夾緊,不同的夾緊機構在高速切削時的安全性也不相同,如通常立裝刀片的夾緊安全性高於平裝刀片,刀片安裝螺釘軸線與刀片基準面的夾角設計也對夾緊力和夾緊可靠性有影響,從而影響刀片安裝的安全性。

刀具生產商還應該採取措施來加強刀具在高速加工中的安全性。國外一些著名的刀具生產商近年來在刀片式刀具的開發中紛紛採用了技術措施來加強刀具的安全性,刀片與刀體間增加離心力卸載結構就是其中之一,這也是上面提到的安全性的冗餘設計。左側的刀體上有一個突起,刀片的相應位置上則有一個凹坑,刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力、螺釘的支承力和離心力卸載結構的支承力共同承擔,這樣抵禦刀片飛出的能力得到了加強。

刀體、螺釘和刀片材料的高韌性也是刀具安全性的有一個保障。在相同的應力條件下,材料的韌性越高,刀體、刀片、螺釘、安全銷釘等諸多零件不被破壞的保障就越強,刀具也就越不易出現安全性的事故。尤其是刀片螺釘,很多人認為它是個不起眼的小零件,殊不知它在強度、韌性等方面有著非常高的要求。如我們對其不給予必要的重視,一旦出起安全事故,我們可能就欲哭無淚了。

另外,刀具在高速度下使用的安全性不僅需要刀具設計製造環節合乎高速切削的需要,在使用方面同樣要注意一些問題。比如,對高速切削的刀片式刀具,使用原廠刀片鎖緊螺釘以保證安全性,筆者前面已經提過高速切削中螺釘有很高的強度和韌性的要求,若使用了不符合這種要求的螺釘,就會有一定的隱患;刀片安裝時保證規定扭矩,因為如果扭矩不夠,螺釘壓緊力不足,刀片和定位底面的摩擦力就會不夠,刀片容易飛出,而如果扭矩過大,螺釘容易被拉長,也就是螺距出現偏差,這對於維持螺釘的夾緊力也非常不利;同時在刀片更換5次后,使用新的刀片鎖緊螺釘以防止螺釘因疲勞著成造成夾緊力下降,影響刀具的安全使用。

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