高速切削安全防护与监控措施
1.高速切削安全防护与监控的提出上世纪末,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,采用高速切削,不仅能有效提高生产率,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高,通常是把采用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设计,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,从机床的结构设计、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设计方面有研究,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设计中所必需考虑的问题"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颁布了统一的机床安全一风险评价模式,旨在把危险消除在设计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设计规范,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,制定了相应的安全设计规范,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,企业损失巨大,舆论强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认识清楚,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,事故致因呈现多样化!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"。4.系统安全目标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考虑,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"。5.高速机床系统危险分析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,不只是考虑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设计就心里有数了"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"6.高速机床系统风险评价?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根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"使得我们对于风险评价结果更加清楚"。7传统安全工作方法最初,人们采用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,采取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!进行监督检查和宣传教育,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,必须进行改进"。?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安全保障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作者的伤害,高速切削机床普遍采用全封闭式安全门罩,高强度透明材料制成的观察窗等更完备的安全保障措施,来保证机床操作者及机床周围现场人员的安全,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。为了能在设计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(FiniteElementMethods,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。在多数情况下首先出现的是前一种失效,随着转速进一步提高,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36700r/min时爆碎的面铣刀,这种失效,操作者往往来不及采取措施制止或躲避,爆碎的碎块等将对操作者造成重大伤害,使机床设备、加工工件严重损坏,带来巨大经济损失。根据模拟计算和爆碎试验研究结果表明,高速铣刀刀片不允许采用靠通常的摩擦力实现刀片的夹紧方式,而应采用带中心孔的刀片,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。推荐采用微调螺钉进行精细平衡,或直接采用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对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。根据监控方法的不同,可以分为直接监控法和间接监控法。目前,由于种种不足,上述监控法大多尚未达到能完全满足工程实用的程度。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MyeonyChangKang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-HaKim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-monitoringBearing)作为一种测量机床主轴受力情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根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情况。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对于具体加工对象最佳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殊要求,其中安全问题就是应用高速切削技术所必须考虑的一个关键问题。
篇2:切削加工安全防护装置规范
切削加工的安全防护装置主要用于防护操作人员在与机床运动件、切削刀具及被加工件接触时,避免切屑、冷却液、润滑液等伤人,以及防止操作人员误操作而发生的伤害事故。
一、防护罩
防护罩的作用是用于防止操作人员在意外情况下受到机械伤害。它是机械设备中最常用的,直接安装于设备上的安全装置。在切削加工机械设备上,防护罩主要用于隔离外露的旋转部件,如皮带轮、链轮、齿轮、链条、旋转轴、法兰盘和轴头等。
1、六角车床上的可伸缩式卡盘安全防护罩
它主要作用是将卡爪罩起来,防止在转动时卡盘爪钩住操作人员的衣物。一般情况下,它由固定的金属罩壳和活动罩网组成,罩网可以推进罩壳,使卡盘外露,以便装卸工件。在工作时,通过手柄将罩网拉出,卡盘被遮住。罩壳用套管和螺钉装紧在两个横杆上,横杆通过底座固定在机床上。
2、立式车床上的环形活动式防护罩
在立式车床的回转花盘周围,用薄钢板做成两个半圆形的防护罩,用铰链与机床连接,以封闭回转花盘边缘,防止花盘的卡爪或凸出的工件撞击操作者或将操作者衣服钩住或切屑水平飞出伤人。机床工作时,防护罩关闭;工人安装工件或调整机床时,可打开一个半圆形防护罩。如回转的大花盘与地板在同一水平面上,可安装在铁管制成的防护栏杆上。
3、钻床上的防护罩装置。
刀具、工件必须装卡可靠、稳固。刀具安装在卡头中。卡头外表面若有突出部分,可用可伸缩的防护装置来保证安全。小工件可用虎钳装夹,大工件用压板螺钉装夹。装夹时都应用垫铁将工件或压板垫平,以免夹紧时或钻削时工件松动,造成钻头折断或事故。
4、铣刀自动防护装置。
在铣床工作台上用螺栓及螺帽将支柱紧固,螺栓头插在铣床工作台的T形槽内。在支柱上用螺栓紧固滑板,滑板上焊有悬臂,悬臂上吊挂着防护罩。在铣削时,由于螺旋弹簧的作用,防护罩向上升起,直到工作完毕为止。随后,当铣床的工作台连同工件向右运动时,防护罩的支臂抵住刀轴,因而使防护罩下降,遮蔽住铣刀。
二、防护挡板
在切削机械设备中所使用的防护挡板一般用于隔离切屑、磨屑和冷却润滑液,防止其飞溅伤人。所用材料视情况而定,一般用钢材、铝板、塑料板等。如果挡板妨碍操作人员的视线,亦可用透明的材料制作。
铣床工作台上的活动防护挡板通过法兰固定在铣床工作台上,球形轴承固定在法兰上,立柱的端头是球座,悬臂可沿立柱滑动,螺钉用于固定悬臂的位置,悬臂终端是球铰,在其上装有防护挡板。
三、防护栏杆
有些设备操作人员是在高于地面的操纵台上进行操作的,此外,还有一些容易造成伤害事故的大型机床的运动部件,此时就需要加设防护栏杆。在操纵台周围设置的栏杆,防护栏杆的高度不得低于0.8m。而大型机床的运动部件(如龙门刨床床身两端)旁加设的栏杆则以阻挡人员进入为目的,
四、其他安全装置
1、旋转夹具的防护
车床上经常使用的拨盘、鸡心卡盘是典型的旋转夹具。拨盘的拨杆、鸡心夹的尾端、卡盘的卡盘爪在转动时都有可能钩住操作者的衣服,引起伤害事故。为消除这些危险,应该使用安全型鸡心夹头等安全防护装置。
(1)车床上用于拨盘、鸡心夹的防护装置
a、安全鸡心夹。其优点在于没有凸出部分,周围有一轮缘,在旋转时就不会钩住操作者衣服。
b、安全拨盘。安全拨盘的形状成杯状,杯的边缘可以起保护作用。用这种安全拨盘时,可用一般鸡心夹。
(2)卡盘安全扳手卡盘夹紧工件后,必须及时取下卡盘扳手,以免开车时飞出伤人或砸伤机床。在装卡工件时需用力压手把,使其方头部分完全露出,装卡完毕,手离开手柄,压缩弹簧就使方头缩回脱离卡盘,保证了安全,这种扳手被称为安全扳手。
2、旋转工件的防护
车床作业时旋转工件上凸出的部分会钩住衣服或打击身体造成伤害,有时也会因工件装夹不牢而飞出伤人。为防止这类事故发生,在高速旋转时防止工件飞出,应保证夹具有良好的工作状态;使用顶尖支撑工件时,后顶尖要保持良好的润滑,以防因顶尖过热磨损造成工件脱落飞出。在加工长棒料时,其暴露在车身外面,转速很高,一旦触到,就可能卷入或打伤。为防止这类事故,可采用长棒料的防护安全装置,将旋转的棒料与人隔开。