高速铣削刀具安全技术现状

    提高切削速度是金属切削技术长期追求的目标，也是切削加工提高效率、降低成本的
主要措施。机械加工的历史证明，切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效
益，切削速度的提高还反映着机械制造整体技术水平的进步。从八十年代中期开始，制造
技术进入了一个全面发展的新时期，其特点是以提高切削速度和进给速度为目标，主要
内容包括高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速 CNC 控制系
统、高刚性的机床结构、超硬刀具材料和涂层工艺技术等。制造技术的全面进展正在把切削
技术推向高速切削(HSC)的新阶段。与五六十年代推广硬质合金刀具时的所谓高速切削相
比，这一轮的高速切削不仅切削速度有成倍的提高，而且可配合采用高的进给速度和小
的切削深度，在实现高生产率的同时使切削力减小，从而还提高了加工质量。目前，高速

  

切削已经在航空工业、模具工业和轿车工业受到重视，正在向更广的应用领域拓展。

    高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对
高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴
的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速 10000～20000r/min 以上
视为高速切削。因为在这个转速范围以上，对刀具材料、结构、装夹以及机床的主轴、结构、
进给驱动和 CNC 系统都提出了特殊的要求，需要开发新的技术，其中铣刀结构的安全性

  

就是发展高速切削所必须解决的一个技术问题。

    铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、立
铣刀和模具铣刀。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过
切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。图 1 所示为一把德
国 Walter 公司的面铣刀在 36700r/min 时爆碎后的状态。一把直径 12mm 的带柄铣刀在转速
达到 36000r/min 时弯曲、断裂的情形。这种破损一旦发生，操作者往往来不及采取制止措
施或躲避，刀体爆飞的碎块或甩出的零件会对操作者造成重大伤害，使机床设备、加工工
件严重损坏，带来很大的直接经济损失，甚至造成停工停产，影响产品的交货，并引起
刀具制造商与用户之间的法律纠纷。因此，研究高速铣刀的安全性技术，防止这种由离心

  

力引起的工具损坏，是进一步发展和应用高速切削的必要前提，具有重要的现实意义。

    德国在九十年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究，在机器制造商协会
(VDMA)的支持下，以达姆斯塔特(Darmstadt)大学制造技术与机床研究所为核心，组成了
由刀具制造厂、研究所和用户参加的工作组，从事高速铣刀安全性技术的研究。经过近十
年的工作，取得了一系列阶段性成果，推动了世界范围内高速切削技术的发展。下面介绍

  

他们的主要研究成果。

    首先，试验证明普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求，因为普通铣刀并非
为高速切削而设计，没有经过一定的强度计算和安全检验。用这类刀具加工铝合金时，还
没有达到被加工材料最佳切削速度的一半，刀体或刀片的夹紧系统就失效了。工作组首先

“

”

就 高速旋转铣刀设计和试验指导意见 进行了研究，在此基础上，于 1994 年起草了《高
速旋转铣刀的安全性要求》DIN 标准，从法律角度规范制造商和用户在设计、制造和使用
高速铣刀时的行为和责任，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导意见，规定
了统一的安全性检验方法，以提高刀具制造商和用户的安全意识，保证高速铣削的安全。
标准草案规定了它的适用范围，即高速切削的速度界限，超过这一界限，离心力成为铣
刀的主要载荷，则必须采用安全技术。如图 3 所示，曲(折)线以上的区域为标准规定的铣