微细铣削中切削条件对刀具磨损影响的试验研究*

杨学明，程 祥，李 阳，王 飞，王文豪

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000)

0 引言

微细铣削加工中，刀具与工件之间剧烈摩擦产生大量切削热，刀具易发生磨损失去切削能力，这严重制约了加工质量和效率[1-2]。因此，微细铣削中最具挑战的问题之一是减少刀具的磨损，提高加工质量和效率[3]。

在加工过程中，选择适合的切削条件，既能解决切削区域的冷却和润滑问题，又可以减少刀具磨损[4-5]。苏宇等[6]研究了干切削和浇灌润滑条件对毛刺和加工精度的影响，但试验中缺少对刀具的研究。Aslantas[7]、Liu[8]、Li等[9]研究了MQL、低温气体冷却和浇灌润滑条件对刀具磨损和表面粗糙度Ra的影响，但并未建立刀具磨损与表面质量之间的联系。Zhang[10]、Ganguli[11]、Marcon等[12]研究了MQL、浇灌润滑和低温冷风条件对刀具寿命、切削温度和毛刺的影响，试验结果表明，切削液有利于降低切削温度，减少刀具磨损和毛刺数量，但研究中缺少对切削条件的综合分析，未具体确定最佳切削条件。

众多学者研究了两种或三种切削条件对刀具磨损和表面质量的影响，但是针对三种以上切削条件对切削力和刀具磨损影响的研究却很少。因此，本试验通过研究干切削、浇灌润滑、微量润滑、低温气体冷却(-5℃)切削条件对刀具磨损、切削力及工件表面粗糙度Ra的影响，确定最优的切削条件，以达到减少刀具磨损，提高加工质量和效率为目的。

1 试验准备

1.1 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，如图2所示。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。

图1 3A-S100机床图

(a) 铣刀整体图 (b) 刀尖放大图 图2 试验所用新刀观测

试验中不同切削条件的加工环境，如图3所示，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Meech A60015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。

(a) 干切削 (b) 浇灌润滑

(c) 低温气体冷却 (d) 微量润滑 图3 4种切削条件的加工环境

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Mitutoyo CS-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Quanta 250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。

1.2 试验设计

本试验总切削长度为200m，每切削50m长度，观察刀具磨损情况，采集切削力和工件表面粗糙度Ra值。试验采用工件外侧下刀，顺逆铣混合铣削方式，走刀路线为循环往复进给的方式。基于以前的正交试验研究结果，本试验选用的铣削参数，如表1所示。

表1 铣削参数表

2 试验结果分析

2.1 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，如图4所示。

(a) 浇灌润滑 (b) 微量润滑

(c) 干切削 (d) 低温气体冷却 图4 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[13]。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。

为进一步确定不同切削条件对刀具磨损的影响，本试验研究了刀具磨损随切削长度变化的趋势，如图5所示。

图5 刀具磨损变化趋势图

由图5所示，随切削长度增加，各切削条件的刀具磨损值都呈上升趋势。切削长度小于100m，干切削、浇灌润滑和微量润滑条件的刀具磨损量平缓上升，切削长度大于100m，刀具磨损量上升较快。同时，根据刀具磨损的变化趋势，可以区分刀具初期磨损、稳定磨损和急剧磨损阶段。切削长度小于100m，低温气体冷却条件的刀具磨损量急剧上升，表明低温气体冷却的刀具处于初期磨损阶段；切削长度大于100m，低温气体冷却的刀具磨损量由平缓到急剧上升，表明低温气体冷却的刀具由稳定磨损到急剧磨损阶段。

当切削长度相同时，浇灌润滑条件的刀具磨损量最小，低温气体冷却条件比其它三种切削条件下的刀具磨损更严重，刀具磨损量最大。这是因为刀具切削时受热温度升高，而刀具空切时受低温气体冷却，刀具表面温度骤冷骤热，拉、压应力交替作用，致使刀具更容易磨损。同时，低温导致工件分子结构更紧凑，金属硬度增大，刀具切削阻力增加，加剧刀具磨损。根据刀具磨损的变化趋势和刀具磨损形式，试验表明浇灌润滑与微量润滑条件更有利于减少刀具磨损，提高加工效率。综合分析，切削条件的影响刀具磨损大小的顺序为：浇灌润滑<微量润滑<干切削<低温气体冷却。

2.2 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Fx和Fy方向切削力状态，如图6所示。

(a) 浇灌润滑

(b) 微量润滑

(c) 干切削

(d) 低温气体冷却 图6 不同切削条件的切削力状态

由图6所示，各切削条件的Fy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Fx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Fx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[14]。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[15]。试验中，不同切削条件的切削力随切削长度变化趋势，如图7所示。各切削条件的切削力随长度增加呈上升趋势。与图5相比，各切削条件的切削力趋势与刀具磨损变化趋势相似。这表明切削力与刀具磨损之间存在必然的联系，切削力变化趋势能反应刀具磨损状态，为辨别刀具磨损提供一定帮助。

图7 切削力变化趋势图

根据切削力变化趋势和刀具磨损状态，浇灌润滑与微量润滑条件更有利于稳定切削状态，减少刀具切削的阻力。综合分析，切削条件影响切削力大小的顺序为：浇灌润滑<微量润滑<干切削条件<低温气体冷却。

2.3 表面粗糙度

不同切削条件下，表面粗糙度Ra随切削长度变化趋势，如图8所示。工件表面粗糙度Ra随切削长度增加呈上升趋势。切削长度大于100m，虽然各切削条件的表面粗糙度Ra增长有急有缓，但仍可看出它与刀具磨损变化趋势相似。同时，本试验发现低温气体冷却条件的工件表面质量好，但刀具磨损却最严重。这是因为在低温情况下，金属材料分子间结合比较紧密弹性小，此时，材料会产生冷脆度，断裂的速度快，材料去除整齐，表面加工质量好。同时，低温使工件硬度增大，刀具切削阻力变大，也加剧了刀具磨损。

图8 工件表面粗糙度Ra变化趋势图

根据表面粗糙度Ra趋势与刀具磨损状态，微量润滑可以减少刀具磨损，提高表面质量更适合加工需要。综合分析，切削条件影响表面粗糙度大小的顺序为：微量润滑<低温气体冷却<浇灌润滑<干切削条件。

2.4 综合分析

以减少污染绿色发展的前提下，为确定出最优的切削条件，以刀具磨损、切削力、表面粗糙度Ra和环境污染为评价指标对不同切削条件进行量化评价。根据不同切削条件对于各指标影响程度的不同进行评分，每种指标最高分为4分，总分越高表示切削条件越好。为提高评价准确性，对每种指标进行系数加权分，刀具磨损、切削力和表面粗糙度Ra系数为0.3，环境污染系数为0.1。最终的评价结果如表2所示。

表2 最优切削条件量化表

由表2量化所示，微量润滑切削条件的量化分最高。该切削条件下，刀具磨损小，切削力稳定，工件表面质量较好，环境污染小。因此，微量润滑切削条件对于微细铣削黄铜最佳。

3 结论

应用不同的切削条件，对黄铜H59材料进行了微细铣削试验，研究了切削条件对刀具磨损、切削力和表面粗糙度Ra的影响规律。试验结果表明，在一定切削长度范围内，刀具磨损、切削力和表面粗糙度Ra的变化趋势相似；切削力变化趋势可以帮助判别刀具磨损的情况。以刀具磨损、切削力、表面粗糙度Ra和环境污染为评价指标，进行量化评价，最终确定微量润滑条件为最优切削条件。这对于考虑绿色制造，减少刀具磨损，提高加工质量的实际生产具有重要的指导意义。