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高速切削安全防护与监控

    上世纪末,HSM(高速加工)或HSC(高速切削)成为国际机械制造业最热门话题,采纳高速切削,不仅能有效提升生产率,缩短切削时间和产品制造周期,还有许多其它优点,对不同的切削工序和切削条件,用不同切削刀具和加工不同材料,其经济合理的切削速度范围是不一样的,而且这个范围总是随着超硬,耐磨长寿命刀具材料的发展而不断提升,通常是把采纳比常规切削速度高得多(一般为5一10倍)的切削加工称为高速切削,例如当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700mm/min以上、铜材I000mm/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150mm/min以上，机床主轴转速可达1000一6000r/min。
    如何针对各种高速加工工况和危险形式进行安全制定,特别是如何对各种危险产生的严重度,概率和频次进行风险评价,目前国内现有的方法只停留在定性评价上,如何从数理角度出发,对系统进行安全定量分析评估和优化,确定最优的安全措施,使高速机床达到最高安全水平,是当前的一项较为重要的研究内容。
本课针对高速机床由于安全性能不完善,每年都要造成很多的工伤事故和大量的财产损失而提出高速切削安全防护与监控。
2机床安全性能研究的现状
欧盟和美国将机床设备的安全性能研究在九十年代初正式列为研究内容,目前己有较好的应用。他们将系统安全工程方法、安全人机工程学、可靠性及可维护性等结合起来,从机床的结构制定、安全防护和提供使用信息三大方面来保证机器的安全性。国内虽然在可靠性及可维护性制定方面有研究,但也还缺乏经验,至于如何对机床设备的安全性能评价及优化则刚刚提出这个概念,几乎没有人专门研究,而这些又正是目前机床制定中所必需合计的问题"欧盟和美国遵照系统安全工程方法,在九十年代己相继制定和公布了统一的机床安全一风险评价模式，旨在把危险消除在制定过程的每一个环节上,使自己生产的高速机床达到本质上的安全"而我国由于没有相应的评估模式和安全制定规范,不能开展安全评估,即使进行过一些简单的评估,也是在产品出来之后"这也是我国与欧美先进国家的差距所在"另外,数控机床和自动化生产线上,德日美等发达国家以及包括俄罗斯在内的部分独联体国家均己全面树立了机床设备的安全性能评价及优化的思想,制定了相应的安全制定规范,而我国在这方面尚没有做过什么工作,刚开始起步"。
3机床安全性能研究的发展
二次世界大战以后,工业水平和生产规模又有了长足进步,但工伤却愈来愈频繁,公害越来越严重,企业损失庞大,舆论激烈不满机械制造安全问题早己成为积难深重的社会问题"机械制造安全问题有其独特性,首先体现在安全属性的依附性"由于安全是依附于生产而存在的,生产中如果不发生事故则很难引起人们的注意"因此,们往往看不到安全工作的作用,认为投资搞安全没有什么必要"其次,安全效益的隐性安全生产的经济效益是间接的,隐性的,看不见,摸不着"只有发生事故后,产生了负效应才感觉出它的存在,这就大大减弱了人们深入研究的兴趣和动力"安全技术的发展日新月异,人们往往对新技术中许多潜在的危险来不及熟悉清楚,意识不到事故发生的严重后果"。并且,随着工业技术的不断发展,事故致因浮现多样化!复杂化的趋势"正是由于这些特性,导致了安全工作的复杂性"。

    对高速机床安全性能进行优化,先必须确定机床的安全目标,并且我们认为其安全目标和必须从整个系统来合计,我们的安全目标是整个系统都是安全的,而不是为达到某个部分安全却不顾其它部分的影响"确定了机床系统安全目标和要求以后,我们对其安全性能的优化作到有的放矢"。

    明确系统安全目标和要求的基础上,对高速机床各主要子系统及整个系统进行系统危险分析,找出与我们期望的系统目标和要求可能不符的地方"当我们对高速机床进行危险分析时,不只是合计某单个部件是不是危险,而是要从整个系统来看"这样当我们对高速机床进行了系统危险分析后,我们进行系统安全评价和安全制定就心里有数了"
主要方法有:初步危险分析法(PHA)!故障类型和影响危险度分析(FME以)!事件树分析(TEA)!故障树分析(FIA)!管理疏忽和危险树分析(MORT)等"

     在高速机床各子系统及整个系统危险分析的基础上,针对高速机床的系统安全目标对高速机床进行系统风险评价,通过评价我们才能有依据地判定哪个部分或哪个子系统是不安全的,从而为我们制定有效的安全措施找到依据"在前人的研究基础上基于模糊数学理论建立了一个风险评价数学模型"使得我们关于风险评价结果更加清楚"。
 7传统安全工作方法
最初,人们采纳传统安全工作方法来处理安全问题"即工伤发生后,从事故后果中查找原因,吸取教训,采用措施进而预防事故重复发生"这种方法也可称作问题出发型方法。
诸如设立专职机构!制定法规和标准!进行监督检查和宣扬教育,以及防尘排毒，配备安全防护装置和个人防护用具等,均属此类"传统安全方法,虽然为防止工伤事故已经作出了并正在作出重大的贡献,但安全问题本身的特性导致了传统安全工作方法的诸多局限性,主要表现在凭经验和直觉处理安全问题多,而由表及里深入分析!发现潜在的事故危险少,难于从本质彻底改变全面貌定性的即安全，由于没有系统性,所以解决安全问题时总是片段地和零碎地进行,头痛医头!脚痛医脚多,而系统地!全面地解决安全问题少。没有肯定的目标值"生产任务有目标,有奋斗的方向,而安全问题没有,目标值难于量化"究竟到什么程度才算安全?才能预防重大伤害?有很大的盲目性"因此,传统安全工作方法越来越不能适应现代工业生产的发展,必须进行改善"。

   8高速切削安全技术
1 高速切削加工安全技术
高速切削加工时, 高速旋转的工件、刀具、夹具等聚积着很大的能量, 承受着很大的离心力, 当机床主轴的转速高达 10000r/min~20000r/min, 甚至更高时, 会使刀具、夹具破碎, 释放出很大的能量, 可能造成重大的事故和伤害。因此, 解决高速切削的安全问题成为推广应用高速切削的前提。高速切削的安全技术主要包括以下几个方面。
2.1 安全保证技术
由于高速切削飞溅的切屑和碎片具有枪弹般的杀伤力, 同时也为了防止因高速旋转而使刀具、夹具甩飞或爆碎时对操的伤害, 高速切削机床普遍采纳全封闭式安全门罩, 高强度透明材料制成的观察窗等更完备的安全保证措施, 来保证机床操及机床四周现场人员的安全, 避免机床、刀具和工件等有关设施受到损伤。
2.2 刀具安全技术
高速切削刀具安全性涉及的主要对象是高速旋转的铣刀和镗刀, 尤其是高速铣刀, 因为高速铣削是目前高速切削应用的主要工艺。
德国在 20 世纪 90 年代初就开始对高速铣刀安全技术进行了研究, 制定了 《高速铣刀的安全要求》标准草案。该标准是开发高速铣刀的技术指导性文件, 同时也规定了高速铣刀失效的实验方法和准则, 成为高速铣刀安全性的指南。
高速切削时, 离心力成为铣刀破坏的主要载荷, 防止离心力造成的破坏关键在于刀体的强度是否足够, 机夹刀的零件夹紧是否可靠。为了能在制定阶段就能定量估算出铣刀刀体结构的强度和夹紧的可靠性, 国外已开发出高速铣刀的有限元 ( Finite Element Methods, FEM)模型, 它能够模拟刀片在刀体刀座里的倾斜、滑动、转动及螺钉在夹紧时的变形, 计算出不同转速度下刀片的位移和螺钉受力的大小。据 FEM 计算和试验, 机夹可转位铣刀在高速下的失效主要有两种形式: 一种是由于夹紧刀片的螺钉被子剪断, 刀片或其它夹紧元件甩飞;另 一 种 是 刀 体 爆 碎 。 如 图 1 所 示 的 端 铣 刀 ( 直 径Ф100mm) , 其刀片靠摩擦力夹紧, 在转速 5000r/min 时其中的一个刀片与夹紧楔块被甩飞。在多数状况下首先 出 现 的 是 前 一 种 失效, 随 着 转 速 进 一 步 提升, 达到刀体强度的临界值时, 才出现后一种失效即刀体爆碎。图 2 所示为在 36700 r/min 时 爆 碎 的

面铣刀, 这种失效, 操往往来不及采用措施制止或躲避, 爆碎的碎块等将对操造成重大伤害, 使机床设备、加工工件严重损坏, 带来庞大经济损失。依据模拟计算和爆碎试验研究结果说明, 高速铣刀刀片不同意采纳靠通常的摩擦力实现刀片的夹紧方式, 而应采纳带中心孔的刀片, 通过螺钉实现夹紧。但应注意, 螺钉在静止状态下夹紧刀片时的预紧力不能过大, 以避免螺钉产生塑性变形而使夹紧过早失效。
    对高速切削刀具进行动平衡也不可缺少。对高速切削刀具进行平衡时, 首先需对刀具、夹头、主轴等各个元件单独进行平衡, 然后对刀具与夹头组合体进行平衡,最后将刀具连同主轴一起进行平衡。推举采纳微调螺钉进行精细平衡, 或直接采纳内装动平衡机构的镗刀, 通过转动补偿环移动内部配重以补偿刀具不平衡量。
    2.3 工况监测技术
    高速切削刀具监测技术关于高速切削加工的安全性十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测切削力以控制刀具磨损; 通过监测机床功率以间接获得刀具磨损信息; 监测刀具断裂 ( 破损) 等。目前国内外对高速切削刀具监测技术的研究及开发应用还不够充分。
依据监控方法的不同, 可以分为直接监控法和间接监控法。目前, 由于种种不够, 上述监控法大多尚未达到能完全满足工程有用的程度。多数研究者认为, 声发射 (AE) 技术是一种较有前途并具有工业应用潜力的监控方法, 如 M yeony Chang Kang 等利用声发射对高速切削中的刀具状况和刀具磨损进行监测, 并取得了较好的效果。因此另外 Jean- Ha Kim 等利用数码照相机和专用夹具进行高速切削刀具磨损的研究。此外, 测力轴承 (Force- monitoring Bearing) 作为一种测量机床主轴受力状况的新型测力传感器正日益受到重视。测力轴承监控系统能依据切削力及频谱能量的变化, 有效地监控刀具的磨损和破损状况。
3 结束语
高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术,必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和关于具体加工对象最正确的加工工艺技术相结合, 充分发挥高速切削技术的优势。同时, 高的切削速度对机床、刀具、夹具等都提出了许多特别要求,其中安全问题就是应用高速切削技术所必须合计的一个关键问题。