微细铣削中切削条件对刀具磨损影响的试验研究

继巍

摘 要：微细铣削技术具有加工精度高、适用材料范围广、可进行三维结构加工等优点，近几年得到了飞速发展，逐渐成为微细加工的重要手段。铣削加工过程复杂，到加工质量及加工效率。工件、刀具、夹具、机床、加工参数、加工环境等多种因素都会影响而微细铣削不仅仅是在常规铣削的基础上将尺寸减小，学的范畴，具有白己独特的加工机理。微细切削尺寸效应、最小切削厚度现象、它属于微观力刀具切削刃钝圆半径以及工件材料微观结构等微细加工领域特有的现象都会显著影响加工过程，且上述现象均与微细刀具息息相关本文就微细铣削中切削条件对刀具磨损影响的试验展开探讨。

关键词：微细铣削;切削条件;刀具磨损

1 微细铣削技术特点

微细铣削加工对象一般特征尺寸范围为0.001-1mm，介于常规加工和微纳加工之问。微细铣削加工的优点在于过程标准可控、加工对象材料多样、形状灵活多变、能耗较低，其加工机理与常规铣削加工有很大区别，两者一个属于微观领域一个属于宏观领域。微细铣削刀具直径较小，刚度较低，导致微细铣削时的许用切削力较小，这对选取切削参数：切削速度、每齿进给量、切深等产生了限制。微细铣削加工与常规铣削加工主要区别在于是否存在尺寸效应。根据尺寸效应的作用机制不同可将其分为两大类：一类是由切削刃钝圆半径、刀具偏摆、刀具材料导致的尺寸效应，这三者变化均会改变切削刃钝圆半径与切削参数的比值，进而对铣削过程产生影响;另一类是由工件材料晶粒度导致的尺寸效应，材料晶粒度不同则工件材料微观切削性能不同，同样会对铣削过程产生影响。在微细铣削中，随着每齿进给量的变化，切削力与之呈非线性关系，且每齿进给量相对于切削刃钝圆半径越小，非线性趋势越明显，切削比能则随之加速上升。切削比能反映切削過程中去除单位体积材料所消耗的能量。当每齿进给量减小到切削刃钝圆半径级别时，刀具实际前角为切削刃钝圆与基面形成的夹角，为负前角，使得刀具与材料问发生划擦、挤压和犁耕作用，导致毛刺变大、工件表面质量降低。

2 微刀具磨损

与常规铣削相比，微刀具的尺寸小、刚度低，在加工中表现为刀具磨损快，易发生破损，刀头折断等现象。减小微刀具磨损，提高微刀具使用寿命已成为微细铣削加工关键技术之一，已成为各国学者研究的热点问题。基于遗传算法建立了刀具切削力监控系统，并将该系统应用于微细铣削加工中刀具磨损的研究。研究结果表明，该系统能够实现对微刀具磨损均匀性及切削刃破损的预测。

3 试验准备

3.1 试验设备

试验加工机床是微铣削数控机床3A-S100，如图1所示。机床主轴最高转速达80000min-1，三个轴均安装高精度光栅尺，机床定位精度为0.1μm，轴向与径向跳动均小于1μm。刀具是直径1mm的双刃平头涂层铣刀，涂层材料为TiAlN，刃圆半径是5μm，前角是15°，后角是10°。为保证试验刀具表面无缺陷，每把刀具都要进行电子显微镜扫描（SEM）观察。工件材料为黄铜H59，尺寸为10mm×10mm×10mm。为了保证微细铣削试验中工件加工表面的平面度，所有的工件都要提前预铣平面。试验中不同切削条件的加工环境，4种切削条件如下所示：（1）干切削：不使用任何冷却润滑介质。（2）浇灌润滑：试验采用微型离心泵供给切削液，切削液用量为3L/min。（3）低温气体冷却：试验使用英国MeechA60015可调式冷风枪对切削区域低温气体冷却，气流量为283L/min，冷却温度为-5℃。（4）微量润滑：试验采用0.7MPa压力空气供给雾化喷头，喷头空气用量为150L/min，切削液用量为50ml/min。本试验使用Kistler9257B测力仪测量铣削产生的三向力，该测量系统由9257B压电原理测力仪、5070A10100四通道电荷放大器、DEWE43A数据采集系统组成，并自带电信号降噪装置。切削力的变化能直观的反映刀具与工件的摩擦状态，铣削中刀具主要受来自Fx与Fy方向力的影响，因此，取切削稳定状态下力合成，公式为：

工件表面粗糙度使用日本三丰MitutoyoCS-3200粗糙度仪测量，分辨率为0.01μm，取样长度设定为0.8×4mm。本试验中选取侧刃后刀面磨损宽度作为刀具磨损的评价指标，它是指刀具侧刃外边缘轮廓到磨损区域边界的距离。在使用Quanta250电子显微镜测量刀具磨损之前，使用超声波设备对刀具表面进行清洗，以去除切屑等对观察刀具的影响。同时，为保证数据准确，对刀具磨损、切削力和表面粗糙度Ra测量6次，取其平均值。

4 考虑刀具磨损的微细铣削切削力建模

在微细铣削中，刀具的磨损速度较快且对切削力有显著的非线性影响，需在建模过程中予以考虑并进行理论解释。微细铣削切削尺度小，每齿进给量通常在l0cm以下，由此引起的材料应变强化现象和刀具刃口圆弧半径效应不可忽视。另外，微细铣削所用刀具直径小，刀具刃磨困难，易造成刀具偏心，因此还需在建模过程中考虑刀具偏心的影响。

5 试验结果分析

（一）刀具磨损。试验完成后，对刀具磨损情况进行观察。当切削长度为200m时，不同切削条件的刀具磨损形式。由不同切削条件的刀具磨损形式可以看出，各切削条件的刀尖均出现磨钝现象，这是由于刀尖处受力集中且涂层强度比其它部分薄弱造成的。同时，由于切屑与刀面摩擦产生高温，且涂层材料与刀具基体的热膨胀系数不同，切削区域温度频繁变化，造成刀具出现涂层脱落现象。与其它切削条件的刀具相比，只有干切削条件的切削刃出现崩刃现象，这表明干切削条件会降低刀具寿命，造成加工成本提高。低温气体冷却条件的刀具经超声波清洗，表面仍粘结大量金属材料，工件与刀具相对运动时，金属材料会带走涂层，进一步加剧刀具的磨损。根据以上刀具磨损形式，发现浇灌与微量润滑的刀具破损较少，干切削与低温气体冷却的刀具破损更严重，这表明浇灌润滑与微量润滑条件可以减少刀具的磨损，更适合加工的需要。

（二）切削力。试验完成后，对切削力进行分析。切削距离 200m时，不同切削条件下 F x 和 F y 方向切削力状态，各切削条件的 F y 方向切削力均呈下降趋势，上下波动较小。低温气体冷却与干切削条件的 F x 方向切削力波动较大，并出现突然跳动现象，切削状态不稳定，浇灌润滑与微量润滑的 F x 方向切削力表现平稳，切削状态相对稳定。这是因为刀具磨损影响切削力的变化趋势，切削力也反应了刀具磨损状态。切削长度为 200m 时，干切削和低温气体冷却的刀具磨损较严重，出现崩刃和刀尖磨钝现象，导致刀具切削能力下降，切削力状态不稳定。新刀在磨合期时，切削力随刀具磨损增加而迅速上升;稳定磨损期，切削过程相对稳定，刀具磨损变慢，切削力也相对平稳增加缓慢;急剧磨损期，由于切削热力积聚的综合作用，刀具磨损急剧增加，切削力也迅速增大。试验中，不同切削条件的切削力随切削长度变化趋势。各切削条件的切削力随长度增加呈上升趋势。

结语

微细铣削加工技术是实现微构件加工的重要微细加工技术之一，具有广泛的应用前景。微细铣削中刀具磨损迅速，且存在与普通铣削不同之处，仅从实验的角度进行了相关分析，后续可以考虑从有限元仿真的角度对微细铣削刀具磨损规律进行更广泛的分析，或者采用解析建模的方法建立刀具磨损量预测模型。

参考文献

[1]杨凯.微细铣削刀具磨损机理及工件毛刺影响因素的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[2]樊宁.刀具磨损过程切削力频谱特性的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2018（5）.