微細銑削中切削條件對刀具磨損影響的試驗研究

繼巍

摘 要：微細銑削技術具有加工精度高、適用材料范圍廣、可進行三維結構加工等優點，近幾年得到了飛速發展，逐漸成為微細加工的重要手段。銑削加工過程復雜，到加工質量及加工效率。工件、刀具、夾具、機床、加工參數、加工環境等多種因素都會影響而微細銑削不僅僅是在常規銑削的基礎上將尺寸減小，學的范疇，具有白己獨特的加工機理。微細切削尺寸效應、最小切削厚度現象、它屬于微觀力刀具切削刃鈍圓半徑以及工件材料微觀結構等微細加工領域特有的現象都會顯著影響加工過程，且上述現象均與微細刀具息息相關本文就微細銑削中切削條件對刀具磨損影響的試驗展開探討。

關鍵詞：微細銑削;切削條件;刀具磨損

1 微細銑削技術特點

微細銑削加工對象一般特征尺寸范圍為0.001-1mm，介于常規加工和微納加工之問。微細銑削加工的優點在于過程標準可控、加工對象材料多樣、形狀靈活多變、能耗較低，其加工機理與常規銑削加工有很大區別，兩者一個屬于微觀領域一個屬于宏觀領域。微細銑削刀具直徑較小，剛度較低，導致微細銑削時的許用切削力較小，這對選取切削參數：切削速度、每齒進給量、切深等產生了限制。微細銑削加工與常規銑削加工主要區別在于是否存在尺寸效應。根據尺寸效應的作用機制不同可將其分為兩大類：一類是由切削刃鈍圓半徑、刀具偏擺、刀具材料導致的尺寸效應，這三者變化均會改變切削刃鈍圓半徑與切削參數的比值，進而對銑削過程產生影響;另一類是由工件材料晶粒度導致的尺寸效應，材料晶粒度不同則工件材料微觀切削性能不同，同樣會對銑削過程產生影響。在微細銑削中，隨著每齒進給量的變化，切削力與之呈非線性關系，且每齒進給量相對于切削刃鈍圓半徑越小，非線性趨勢越明顯，切削比能則隨之加速上升。切削比能反映切削過程中去除單位體積材料所消耗的能量。當每齒進給量減小到切削刃鈍圓半徑級別時，刀具實際前角為切削刃鈍圓與基面形成的夾角，為負前角，使得刀具與材料問發生劃擦、擠壓和犁耕作用，導致毛刺變大、工件表面質量降低。

2 微刀具磨損

與常規銑削相比，微刀具的尺寸小、剛度低，在加工中表現為刀具磨損快，易發生破損，刀頭折斷等現象。減小微刀具磨損，提高微刀具使用壽命已成為微細銑削加工關鍵技術之一，已成為各國學者研究的熱點問題?；谶z傳算法建立了刀具切削力監控系統，并將該系統應用于微細銑削加工中刀具磨損的研究。研究結果表明，該系統能夠實現對微刀具磨損均勻性及切削刃破損的預測。

3 試驗準備

3.1 試驗設備

試驗加工機床是微銑削數控機床3A-S100，如圖1所示。機床主軸最高轉速達80000min-1，三個軸均安裝高精度光柵尺，機床定位精度為0.1μm，軸向與徑向跳動均小于1μm。刀具是直徑1mm的雙刃平頭涂層銑刀，涂層材料為TiAlN，刃圓半徑是5μm，前角是15°，后角是10°。為保證試驗刀具表面無缺陷，每把刀具都要進行電子顯微鏡掃描（SEM）觀察。工件材料為黃銅H59，尺寸為10mm×10mm×10mm。為了保證微細銑削試驗中工件加工表面的平面度，所有的工件都要提前預銑平面。試驗中不同切削條件的加工環境，4種切削條件如下所示：（1）干切削：不使用任何冷卻潤滑介質。（2）澆灌潤滑：試驗采用微型離心泵供給切削液，切削液用量為3L/min。（3）低溫氣體冷卻：試驗使用英國MeechA60015可調式冷風槍對切削區域低溫氣體冷卻，氣流量為283L/min，冷卻溫度為-5℃。（4）微量潤滑：試驗采用0.7MPa壓力空氣供給霧化噴頭，噴頭空氣用量為150L/min，切削液用量為50ml/min。本試驗使用Kistler9257B測力儀測量銑削產生的三向力，該測量系統由9257B壓電原理測力儀、5070A10100四通道電荷放大器、DEWE43A數據采集系統組成，并自帶電信號降噪裝置。切削力的變化能直觀的反映刀具與工件的摩擦狀態，銑削中刀具主要受來自Fx與Fy方向力的影響，因此，取切削穩定狀態下力合成，公式為：

工件表面粗糙度使用日本三豐MitutoyoCS-3200粗糙度儀測量，分辨率為0.01μm，取樣長度設定為0.8×4mm。本試驗中選取側刃后刀面磨損寬度作為刀具磨損的評價指標，它是指刀具側刃外邊緣輪廓到磨損區域邊界的距離。在使用Quanta250電子顯微鏡測量刀具磨損之前，使用超聲波設備對刀具表面進行清洗，以去除切屑等對觀察刀具的影響。同時，為保證數據準確，對刀具磨損、切削力和表面粗糙度Ra測量6次，取其平均值。

4 考慮刀具磨損的微細銑削切削力建模

在微細銑削中，刀具的磨損速度較快且對切削力有顯著的非線性影響，需在建模過程中予以考慮并進行理論解釋。微細銑削切削尺度小，每齒進給量通常在l0cm以下，由此引起的材料應變強化現象和刀具刃口圓弧半徑效應不可忽視。另外，微細銑削所用刀具直徑小，刀具刃磨困難，易造成刀具偏心，因此還需在建模過程中考慮刀具偏心的影響。

5 試驗結果分析

（一）刀具磨損。試驗完成后，對刀具磨損情況進行觀察。當切削長度為200m時，不同切削條件的刀具磨損形式。由不同切削條件的刀具磨損形式可以看出，各切削條件的刀尖均出現磨鈍現象，這是由于刀尖處受力集中且涂層強度比其它部分薄弱造成的。同時，由于切屑與刀面摩擦產生高溫，且涂層材料與刀具基體的熱膨脹系數不同，切削區域溫度頻繁變化，造成刀具出現涂層脫落現象。與其它切削條件的刀具相比，只有干切削條件的切削刃出現崩刃現象，這表明干切削條件會降低刀具壽命，造成加工成本提高。低溫氣體冷卻條件的刀具經超聲波清洗，表面仍粘結大量金屬材料，工件與刀具相對運動時，金屬材料會帶走涂層，進一步加劇刀具的磨損。根據以上刀具磨損形式，發現澆灌與微量潤滑的刀具破損較少，干切削與低溫氣體冷卻的刀具破損更嚴重，這表明澆灌潤滑與微量潤滑條件可以減少刀具的磨損，更適合加工的需要。

（二）切削力。試驗完成后，對切削力進行分析。切削距離 200m時，不同切削條件下 F x 和 F y 方向切削力狀態，各切削條件的 F y 方向切削力均呈下降趨勢，上下波動較小。低溫氣體冷卻與干切削條件的 F x 方向切削力波動較大，并出現突然跳動現象，切削狀態不穩定，澆灌潤滑與微量潤滑的 F x 方向切削力表現平穩，切削狀態相對穩定。這是因為刀具磨損影響切削力的變化趨勢，切削力也反應了刀具磨損狀態。切削長度為 200m 時，干切削和低溫氣體冷卻的刀具磨損較嚴重，出現崩刃和刀尖磨鈍現象，導致刀具切削能力下降，切削力狀態不穩定。新刀在磨合期時，切削力隨刀具磨損增加而迅速上升;穩定磨損期，切削過程相對穩定，刀具磨損變慢，切削力也相對平穩增加緩慢;急劇磨損期，由于切削熱力積聚的綜合作用，刀具磨損急劇增加，切削力也迅速增大。試驗中，不同切削條件的切削力隨切削長度變化趨勢。各切削條件的切削力隨長度增加呈上升趨勢。

結語

微細銑削加工技術是實現微構件加工的重要微細加工技術之一，具有廣泛的應用前景。微細銑削中刀具磨損迅速，且存在與普通銑削不同之處，僅從實驗的角度進行了相關分析，后續可以考慮從有限元仿真的角度對微細銑削刀具磨損規律進行更廣泛的分析，或者采用解析建模的方法建立刀具磨損量預測模型。

參考文獻

[1]楊凱.微細銑削刀具磨損機理及工件毛刺影響因素的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[2]樊寧.刀具磨損過程切削力頻譜特性的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2018（5）.