2011年的7月23日，我們聽(tīng)到了一個(gè)舉國(guó)震驚的噩耗：鐵路甬溫線發(fā)生特大鐵路交通事故，當(dāng)晚點(diǎn)34分，從北京開(kāi)往福州的動(dòng)車(chē)D301行駛在浙江溫州段時(shí)，與杭州開(kāi)往溫州方向的D3115列車(chē)追尾相撞，造成40人死亡，近200人受傷入院治療。相撞之后的車(chē)體破損之嚴(yán)重大家可能都已經(jīng)見(jiàn)過(guò)了，給我的感覺(jué)似乎是被美軍的導(dǎo)彈擊中一樣。

    動(dòng)車(chē)追尾為什么會(huì)造成如此之大？列車(chē)的速度是一個(gè)非常重要的因素。物理中的經(jīng)典力學(xué)告訴我們，物體所受合外力的沖量等于它的動(dòng)量的變化，叫做動(dòng)量定理。也就是說(shuō)，動(dòng)量的變化量越大，它所產(chǎn)生的沖量也就越大。而動(dòng)量則是物體的質(zhì)量和速度的乘積。大家從這個(gè)定義中就可以明白，在相同質(zhì)量的條件下，如果一個(gè)物體的速度越高，它的動(dòng)量也越大，即它有可能帶來(lái)的沖量越大。

    與高速鐵路比傳統(tǒng)鐵路速度高1倍或更多些類(lèi)似，高速切削是比傳統(tǒng)切削的切削速度要高2～4倍，達(dá)到傳統(tǒng)切削的3～5倍。因此由于高速切削通常會(huì)需要較高的轉(zhuǎn)速，由此使刀具在巨大離心力作用下發(fā)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(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。

   幾年以前，筆者了解到一個(gè)真實(shí)的實(shí)例：國(guó)內(nèi)著名大學(xué)山東大學(xué)的金屬切削實(shí)驗(yàn)室曾從國(guó)內(nèi)一工具廠商除，采購(gòu)了一把直徑為100mm的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金面銑刀準(zhǔn)備進(jìn)行一次高速切削的實(shí)驗(yàn)。但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室將這把刀具安裝到機(jī)床主軸上，將主軸轉(zhuǎn)速提升至每分鐘5000轉(zhuǎn)時(shí)，出乎意料的事件發(fā)生了：刀盤(pán)上那個(gè)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(lái)。還算幸運(yùn)，除了“咣當(dāng)”一聲動(dòng)靜挺大，飛出的刀片只是砸到了機(jī)床的防護(hù)鋼板還算是幸運(yùn)的。而蘇州的一個(gè)用戶(hù)則比較不幸，他們的刀具破碎后碎片擊中了機(jī)床的防彈玻璃，結(jié)果是玻璃被完全擊碎，整個(gè)破碎的安全玻璃像一張掛在機(jī)床框架上的蜘蛛網(wǎng)，看得我膽顫心驚。

    那么，高速加工的刀具為什么會(huì)有如此大的破壞能力呢？我們作了如下的簡(jiǎn)要分析。如果一個(gè)直徑40mm的可轉(zhuǎn)位銑刀以40000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，其線速度為5024m/min，即83.7m/s，以刀片重量0.015kg計(jì)算，其動(dòng)量為1.26kg·m/s。這一結(jié)果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動(dòng)量相當(dāng)(該手槍子彈彈頭重量約0.005kg，出膛初速度為230m/s，因此動(dòng)量為1.20kg·m/s)。而這樣的一個(gè)切削速度大約與高速鐵路原定的運(yùn)行速度相當(dāng)或稍快、稍慢。因此，我們看到7.23動(dòng)車(chē)相撞事故后乘客和列車(chē)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(wèn)題，杜絕在高速切削時(shí)發(fā)生安全事故。德國(guó)高速切削的工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術(shù)規(guī)范早已被建議成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范規(guī)定：對(duì)于刀片式的刀具，生產(chǎn)商必須保證在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速（np＝1.6nmax）下試驗(yàn)，刀具的永久變形或零件的位移不超過(guò)0.05mm，而在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速（np=2nmax）下試驗(yàn)，刀具不發(fā)生爆碎；對(duì)于整體式刀具，則應(yīng)在np=2nmax條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。同時(shí)要求刀具生產(chǎn)商必須對(duì)可用于高速切削的刀具明示其最大使用轉(zhuǎn)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(dāng)然，對(duì)于非高速切削刀具(即在綠色部分)，則不需要作如此要求。

    這是一個(gè)明顯有冗余量的安全性要求。筆者認(rèn)為，在安全性方面，保持一定的冗余是確保安全的重要方法。在溫甬鐵路7.23動(dòng)車(chē)追尾事故發(fā)生后，我國(guó)政府也更認(rèn)識(shí)到冗余的重要性。8月10日，溫家寶總理主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，其中的一個(gè)決定就是適當(dāng)降低新建高速鐵路運(yùn)營(yíng)初期的速度。鐵道部黨組書(shū)記、部長(zhǎng)盛光祖也表達(dá)了增加高鐵安全冗余的意愿。因此我們?cè)谶x用高速切削刀具時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)商提供的核定最高轉(zhuǎn)速規(guī)定。但對(duì)于未執(zhí)行這樣高速切削刀具的安全性標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)谶x用時(shí)需要更加慎重。從溫甬鐵路的重大事故中汲取教訓(xùn)的角度考慮，筆者建議只在綠色的范圍內(nèi)使用那些未執(zhí)行安全性標(biāo)準(zhǔn)的刀具產(chǎn)品，而絕不冒安全風(fēng)險(xiǎn)在更高的速度下使用這些刀具。

    7.23動(dòng)車(chē)追尾事故的正式調(diào)查報(bào)告在筆者撰寫(xiě)此文時(shí)還尚未公布。但是，我們知道大致與天氣、信號(hào)系統(tǒng)、人工調(diào)度、信息同胞等多個(gè)因素相關(guān)。高速切削的安全性與高鐵的安全性類(lèi)似，并不是與一個(gè)因素有關(guān)，而是和很多因素有關(guān)。安全需要所有的因素都達(dá)到高速切削的要求，任何一個(gè)因素的不到位都可能會(huì)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)始進(jìn)行保障。防止應(yīng)力集中是一個(gè)極其重要的手段。我們應(yīng)在設(shè)計(jì)階段通過(guò)一些仿真切削軟件進(jìn)行模擬加工，尋找刀具的結(jié)構(gòu)缺陷并加以改進(jìn)，以提高刀具在高速切削下的安全性。 

    刀片式銑刀的結(jié)構(gòu)與安全性有很大關(guān)系。如前所屬，山東大學(xué)在使用的刀片飛出的銑刀，是國(guó)內(nèi)普遍采用的楔塊時(shí)夾緊方式。這種夾緊方式完全依靠摩擦力來(lái)抵御離心力，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。而采用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘才會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)速的逐漸提高，螺釘會(huì)在離心力的作用下被拉長(zhǎng)，刀體也會(huì)發(fā)生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時(shí)已達(dá)臨界應(yīng)力而出現(xiàn)永久性的拉伸變形，而在在達(dá)到臨界速度之前，螺釘已經(jīng)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，造成夾緊力下降，刀片也隨之發(fā)生位移。研究還表明，即使同樣是螺釘夾緊，不同的夾緊機(jī)構(gòu)在高速切削時(shí)的安全性也不相同，如通常立裝刀片的夾緊安全性高于平裝刀片，刀片安裝螺釘軸線與刀片基準(zhǔn)面的夾角設(shè)計(jì)也對(duì)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(chǎn)商還應(yīng)該采取措施來(lái)加強(qiáng)刀具在高速加工中的安全性。國(guó)外一些著名的刀具生產(chǎn)商近年來(lái)在刀片式刀具的開(kāi)發(fā)中紛紛采用了技術(shù)措施來(lái)加強(qiáng)刀具的安全性，刀片與刀體間增加離心力卸載結(jié)構(gòu)就是其中之一，這也是上面提到的安全性的冗余設(shè)計(jì)。左側(cè)的刀體上有一個(gè)突起，刀片的相應(yīng)位置上則有一個(gè)凹坑，刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力、螺釘?shù)闹С辛碗x心力卸載結(jié)構(gòu)的支承力共同承擔(dān)，這樣抵御刀片飛出的能力得到了加強(qiáng)。

   刀體、螺釘和刀片材料的高韌性也是刀具安全性的有一個(gè)保障。在相同的應(yīng)力條件下，材料的韌性越高，刀體、刀片、螺釘、安全銷(xiāo)釘?shù)戎T多零件不被破壞的保障就越強(qiáng)，刀具也就越不易出現(xiàn)安全性的事故。尤其是刀片螺釘，很多人認(rèn)為它是個(gè)不起眼的小零件，殊不知它在強(qiáng)度、韌性等方面有著非常高的要求。如我們對(duì)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(wú)淚了。

    另外，刀具在高速度下使用的安全性不僅需要刀具設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)合乎高速切削的需要，在使用方面同樣要注意一些問(wèn)題。比如，對(duì)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(jīng)提過(guò)高速切削中螺釘有很高的強(qiáng)度和韌性的要求，若使用了不符合這種要求的螺釘，就會(huì)有一定的隱患；刀片安裝時(shí)保證規(guī)定扭矩，因?yàn)槿绻ぞ夭粔颍葆攭壕o力不足，刀片和定位底面的摩擦力就會(huì)不夠，刀片容易飛出，而如果扭矩過(guò)大，螺釘容易被拉長(zhǎng)，也就是螺距出現(xiàn)偏差，這對(duì)于維持螺釘?shù)膴A緊力也非常不利；同時(shí)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。


    筆者的結(jié)論是，我們每個(gè)涉足高速切削的人，都要從技術(shù)方面采取足夠的措施，在理念上充分認(rèn)識(shí)高速度下安全性的重要意義，思想上極其重視這一問(wèn)題，從而保證高速度下的有冗余量的安全。