高速切削安全防護(hù)與監(jiān)控

—高速切削安全防護(hù)與監(jiān)控1.高速切削安全防護(hù)與監(jiān)控的提出上世紀(jì)末，HSM（高速加工）或HSC（高速切削）成為國(guó)際機(jī)械制造業(yè)最熱門話題，采納高速切削，不僅能有效提高生產(chǎn)率，縮短切削時(shí)間和產(chǎn)品制造周期，還有很多其它長(zhǎng)處，對(duì)不同的切削工序和切削條件，用不同切削刀具和加工不同材料，其經(jīng)濟(jì)合理的切削速度范圍是不一樣的，而且這個(gè)范圍總是伴著超硬，耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料的發(fā)展而不斷提高，通常是把采納比常規(guī)切削速度高得多（一般為5一10倍）的切削加工稱為高速切削，例如當(dāng)切削速度對(duì)鋼材到達(dá)380m/min以上、鑄鐵700mm/min以上、銅材I000mm/min以上、鋁材1XXXm/min以上、塑料1150mm/min以上，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)XXX0一6000r/min。如何針對(duì)各種高速加工工況和危險(xiǎn)形式進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，特別是如何對(duì)各種危險(xiǎn)產(chǎn)生的嚴(yán)峻度，概率和頻次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的方法只停留在定性評(píng)價(jià)上，如何從數(shù)理角度動(dòng)身，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全定量分析評(píng)估和優(yōu)化，確定最優(yōu)的安全措施，使高速機(jī)床到達(dá)最高安全水平，是當(dāng)前的一項(xiàng)較為重要的研討內(nèi)容。本課針對(duì)高速機(jī)床由于安全性能不完善，每年都要造成許多的工傷事故和大量的財(cái)產(chǎn)損失而提出高速切削安全防護(hù)與監(jiān)控。2機(jī)床安全性能研討的現(xiàn)狀歐盟和將機(jī)床裝備的安全性能研討在九十20XX年X月初正式列為研討內(nèi)容，目前己有較好的應(yīng)用。他們將系統(tǒng)安全工程方法、安全人機(jī)工程學(xué)、牢靠性及可維護(hù)性等結(jié)合起來(lái)，從機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)和提供運(yùn)用信息三大方面來(lái)保證機(jī)器的安全性。國(guó)內(nèi)雖然在牢靠性及可維護(hù)性設(shè)計(jì)方面有研討，但也還缺乏經(jīng)驗(yàn)，至于如何對(duì)機(jī)床裝備的安全性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化則剛剛提出這個(gè)概念，幾乎沒(méi)有人特地研討，而這些又正是目前機(jī)床設(shè)計(jì)中所必需考慮的問(wèn)題"歐盟和遵照系統(tǒng)安全工程方法，在九十20XX年X月己相繼制定和公布了統(tǒng)一的機(jī)床安全一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式，旨在把危險(xiǎn)消退在設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)上，使自己生產(chǎn)的高速機(jī)床到達(dá)本質(zhì)上的安全"而我國(guó)由于沒(méi)有相應(yīng)的評(píng)估模式和安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不能開(kāi)展安全評(píng)估，即使進(jìn)行過(guò)一些簡(jiǎn)潔的評(píng)估，也是在產(chǎn)品出來(lái)之后"這也是我國(guó)與歐美先進(jìn)國(guó)家的差距所在"另外，數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線上，德日美等興旺國(guó)家以及包括俄羅斯在內(nèi)的部分獨(dú)聯(lián)體國(guó)家均己全面樹(shù)立了機(jī)床裝備的安全性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化的思想，制定了相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而我國(guó)在這方面尚沒(méi)有做過(guò)什么工作，剛開(kāi)頭起步"。3機(jī)床安全性能研討的發(fā)展二次世界大戰(zhàn)以后，工業(yè)水平和生產(chǎn)規(guī)模又有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但工傷卻愈來(lái)愈頻繁，公害越來(lái)越嚴(yán)峻，企業(yè)損失巨大，言論劇烈不滿機(jī)械制造安全問(wèn)題早己成為積難深重的社會(huì)問(wèn)題"機(jī)械制造安全問(wèn)題有其獨(dú)特性，首先表達(dá)在安全屬性的依附性"由于安全是依附于生產(chǎn)而存在的，生產(chǎn)中假如不發(fā)惹事故則很難引起人們的留意"因此，們往往看不到安全工作的作用，認(rèn)為投資搞安全沒(méi)有什么必要"其次，安全效益的隱性安全生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益是間接的，隱性的，看不見(jiàn)，摸不著"只有發(fā)惹事故后，產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)才感覺(jué)出它的存在，這就大大減弱了人們深化研討的愛(ài)好和動(dòng)力"安全技術(shù)的發(fā)展日新月異，人們往往對(duì)新技術(shù)中很多潛在的危險(xiǎn)來(lái)不及認(rèn)識(shí)清晰，意識(shí)不到事故發(fā)生的嚴(yán)峻后果"。并且，伴著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，事故致因呈現(xiàn)多樣化!冗雜化的趨勢(shì)"正是由于這些特性，導(dǎo)致了安全工作的冗雜性"。4.系統(tǒng)安全目標(biāo)對(duì)高速機(jī)床安全性能進(jìn)行優(yōu)化，先必需確定機(jī)床的安全目標(biāo)，并且我們認(rèn)為其安全目標(biāo)和必需從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮，我們的安全目標(biāo)是整個(gè)系統(tǒng)都是安全的，而不是為到達(dá)某個(gè)部分安全卻不顧其它部分的影響"確定了機(jī)床系統(tǒng)安全目標(biāo)和要求以后，我們對(duì)其安全性能的優(yōu)化作到有的放矢"。5.高速機(jī)床系統(tǒng)危險(xiǎn)分析明確系統(tǒng)安全目標(biāo)和要求的基礎(chǔ)上，對(duì)高速機(jī)床各主要子系統(tǒng)及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)危險(xiǎn)分析，找出與我們希望的系統(tǒng)目標(biāo)和要求可能不符的地方"當(dāng)我們對(duì)高速機(jī)床進(jìn)行危險(xiǎn)分析時(shí)，不只是考慮某單個(gè)部件是不是危險(xiǎn)，而是要從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看"這樣當(dāng)我們對(duì)高速機(jī)床進(jìn)行了系統(tǒng)危險(xiǎn)分析后，我們進(jìn)行系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)和安全設(shè)計(jì)就心里有數(shù)了"主要方法有：初步危險(xiǎn)分析法（PHA）!故障類型和影響危險(xiǎn)度分析（FME以）!大事樹(shù)分析（TEA）!故障樹(shù)分析（FIA）!管理疏忽和危險(xiǎn)樹(shù)分析（MORT）等"6.高速機(jī)床系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在高速機(jī)床各子系統(tǒng)及整個(gè)系統(tǒng)危險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)高速機(jī)床的系統(tǒng)安全目標(biāo)對(duì)高速機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)我們才能有依據(jù)地判斷哪個(gè)部分或哪個(gè)子系統(tǒng)是擔(dān)心全的，從而為我們制定有效的安全措施找到依據(jù)"在前人的研討基礎(chǔ)上基于模糊數(shù)學(xué)理論建立了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型"使得我們對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果更加清晰"。7傳統(tǒng)安全工作方法最初，人們采納傳統(tǒng)安全工作方法來(lái)處理安全問(wèn)題"即工傷發(fā)生后，從事故后果中查找原因，吸取教訓(xùn)，實(shí)行措施進(jìn)而預(yù)防事故重復(fù)發(fā)生"這種方法也可稱作問(wèn)題動(dòng)身型方法。諸如建立專職機(jī)構(gòu)!制定法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)!進(jìn)行監(jiān)督檢查和宣傳教育，以及防塵排毒，配備安全防護(hù)裝置和個(gè)人防護(hù)用具等，均屬此類"傳統(tǒng)安全方法，雖然為防止工傷事故已經(jīng)作出了并正在作出重大的奉獻(xiàn)，但安全問(wèn)題本身的特性導(dǎo)致了傳統(tǒng)安全工作方法的諸多局限性，主要表如今憑經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)處理安全問(wèn)題多，而由表及里深化分析!發(fā)現(xiàn)潛在的事故危險(xiǎn)少，難于從本質(zhì)徹底轉(zhuǎn)變?nèi)婷捕ㄐ缘募窗踩?，由于沒(méi)有系統(tǒng)性，所以解決安全問(wèn)題時(shí)總是片段地和零碎地進(jìn)行，頭痛醫(yī)頭!腳痛醫(yī)腳多，而系統(tǒng)地!全面地解決安全問(wèn)題少。沒(méi)有肯定的目標(biāo)值"生產(chǎn)任務(wù)有目標(biāo)，有奮斗的方向，而安全問(wèn)題沒(méi)有，目標(biāo)值難于量化"到底到什么程度才算安全才能預(yù)防重大損害有很大的盲目性"因此，傳統(tǒng)安全工作方法越來(lái)越不能順應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，必需進(jìn)行改進(jìn)"。8高速切削安全技術(shù)1高速切削加工安全技術(shù)高速切削加工時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的工件、刀具、夾具等聚積著很大的能量，承受著很大的離心力，當(dāng)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速高達(dá)XXX00r/min~20XX0r/min，甚至更高時(shí)，會(huì)使刀具、夾具破裂，釋放出很大的能量，可能造成重大的事故和損害。因此，解決高速切削的安全問(wèn)題成為推廣應(yīng)用高速切削的前提。高速切削的安全技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。2.1安全保障技術(shù)由于高速切削飛濺的切屑和碎片具有槍彈般的殺傷力，同時(shí)也為了防止因高速旋轉(zhuǎn)而使刀具、夾具甩飛或爆碎時(shí)對(duì)操的損害，高速切削機(jī)床普遍采納全封閉式安全門罩，高強(qiáng)度透亮材料制成的觀看窗等更完備的安全保障措施，來(lái)保證機(jī)床操及機(jī)床四周現(xiàn)場(chǎng)人員的安全，防止機(jī)床、刀具和工件等有關(guān)設(shè)備受到損傷。2.2刀具安全技術(shù)高速切削刀具安全性觸及的主要對(duì)象是高速旋轉(zhuǎn)的銑刀和鏜刀，尤其是高速銑刀，由于高速銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝。德國(guó)在20世紀(jì)9020XX年X月初就開(kāi)頭對(duì)高速銑刀安全技術(shù)進(jìn)行了研討，制定了《高速銑刀的安全要求》標(biāo)準(zhǔn)草案。該標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)發(fā)高速銑刀的技術(shù)指導(dǎo)性文件，同時(shí)也規(guī)定了高速銑刀失效的試驗(yàn)方法和準(zhǔn)則，成為高速銑刀安全性的指南。高速切削時(shí)，離心力成為銑刀破壞的主要載荷，防止離心力造成的破壞關(guān)鍵在于刀體的強(qiáng)度是否充足，機(jī)夾刀的零件夾緊是否牢靠。為了能在設(shè)計(jì)階段就能定量估算出銑刀刀體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和夾緊的牢靠性，國(guó)外已開(kāi)發(fā)出高速銑刀的有限元（FiniteElementMethods，F(xiàn)EM）模型，它能夠模擬刀片在刀體刀座里的傾斜、滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及螺釘在夾緊時(shí)的變形，計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速度下刀片的位移和螺釘受力的大小。據(jù)FEM計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位銑刀在高速下的失效主要有兩種形式：一種是由于夾緊刀片的螺釘被子剪斷，刀片或其它夾緊元件甩飛；另一種是刀體爆碎。如圖1所示的端銑刀（直徑ФXXXmm），其刀片靠摩擦力夾緊，在轉(zhuǎn)速5000r/min時(shí)其中的一個(gè)刀片與夾緊楔塊被甩飛。在多數(shù)情況下首先顯現(xiàn)的是前一種失效，伴著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，到達(dá)刀體強(qiáng)度的臨界值時(shí)，才顯現(xiàn)后一種失效即刀體爆碎。圖2所示為在36700r/min時(shí)爆碎的面銑刀，這種失效，操往往來(lái)不及實(shí)行措施制止或躲避，爆碎的碎塊等將對(duì)操造成重大損害，使機(jī)床裝備、加工工件嚴(yán)峻損壞，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。依據(jù)模擬計(jì)算和爆碎實(shí)驗(yàn)研討結(jié)果說(shuō)明，高速銑刀刀片不答應(yīng)采納靠通常的摩擦力完成刀片的夾緊方式，而應(yīng)采納帶中心孔的刀片，通過(guò)螺釘完成夾緊。但應(yīng)留意，螺釘在靜止?fàn)顟B(tài)下夾緊刀片時(shí)的預(yù)緊力不能過(guò)大，以防止螺釘產(chǎn)生塑性變形而使夾緊過(guò)早失效。對(duì)高速切削刀具進(jìn)行動(dòng)平衡也不行缺少。對(duì)高速切削刀具進(jìn)行平衡時(shí)，首先需對(duì)刀具、夾頭、主軸等各個(gè)元件單獨(dú)進(jìn)行平衡，然后對(duì)刀具與夾頭搭配體進(jìn)行平衡，最終將刀具連同主軸一起進(jìn)行平衡。推舉采納微調(diào)螺釘進(jìn)行精細(xì)平衡，或直接采納內(nèi)裝動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的鏜刀，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償環(huán)移動(dòng)內(nèi)部配重以補(bǔ)償?shù)毒卟黄胶饬俊?.3工況監(jiān)測(cè)技術(shù)高速切削刀具監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于高速切削加工的安全性非常重要。刀具監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括通過(guò)監(jiān)測(cè)切削力以掌握刀具磨損；通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)床功率以間接獲得刀具磨損信息；監(jiān)測(cè)刀具斷裂（破損）等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速切削刀具監(jiān)測(cè)技術(shù)的研討及開(kāi)發(fā)應(yīng)用還不夠充足。依據(jù)監(jiān)控方法的不同，可以分為直接監(jiān)控法和間接監(jiān)控法。目前，由于種種缺乏，上述監(jiān)控法大多尚未到達(dá)能完全滿意工程適用的程度。多數(shù)研討者認(rèn)為，聲放射（AE）技術(shù)是一種較有前途并具有工業(yè)應(yīng)用潛力的監(jiān)控方法，如MyeonyChangKang等利用聲放射對(duì)高速切削中的刀具狀況和刀具磨損進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并取得了較好的效果。因此另外Jean-HaKim等利用數(shù)碼照相機(jī)和專用夾具進(jìn)行高速切削刀具磨損的研討。此外，測(cè)力軸承（Force-monitoringBearing）作為一種測(cè)量機(jī)床主軸受