切削介質對微細銑刀磨損影響的試驗研究

楊學明，程 祥，鄭光明，李 陽

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000）

1 引言

機械加工中常用的切削介質有空氣（干切削）、澆灌切削液、微量切削液和低溫冷風等，它們在加工過程中的主要作用是冷卻和潤滑[1-2]。良好的冷卻潤滑能有效的降低工件與刀具的摩擦，帶走切削區(qū)域產生的熱量以降低切削熱和切削力，減少切削變形程度，提高刀具壽命和工件加工質量[3]。干切削不需要任何專用的冷卻潤滑介質，不僅減少了生產成本，而且還降低了整體生產對環(huán)境的污染。文獻[4]研究了切削Ti6Al4V材料時，干切削、澆灌切削液和微量切削液介質對微觀組織、表面完整性和加工精度的影響，試驗結果表明，干切削是降低加工制造對環(huán)境影響的最佳選擇，它完全滿足生物零件對精度和表面質量的要求。然而，干切削時刀具與工件摩擦較大，切削區(qū)域升溫快，高溫高壓下，切屑易附著刀具表面形成積屑瘤，在刀具與工件相對運動過程中，積屑瘤脫落帶走刀具材料，加劇刀具磨損[5]。一方面，為解決刀具與切屑摩擦粘結問題，澆灌切削液的方式被應用到生產加工中，通過澆灌切削液將切削區(qū)域內塑性變形產生的熱量帶走，延長刀具壽命，提高工件尺寸精度[6]。另一方面，澆灌切削液的方式仍存在其它問題。文獻[7]研究了澆灌切削液對刀具沖擊的影響，試驗結果表明，切削液沖擊力一般只有幾牛頓，但仍會使刀具偏轉甚至損壞，降低工件的加工精度。文獻[8]發(fā)現切削液消耗占整個加工成本的17%，這表明澆灌切削液的方式會增加加工成本，它并不適合應用在大規(guī)模生產中。低溫冷風介質是將低溫壓縮空氣直接噴射到切削區(qū)域，低溫氣體既能帶走切屑又可以降低切削溫度。但是，低溫冷風也會導致其它的問題，比如：文獻[9]在干切削、澆灌切削液和-10℃低溫冷風介質下切削Ti6Al4V材料時發(fā)現，低溫使切削刃脆化，刀具更容易出現崩刃現象，這導致低溫冷風介質在工件表面質量和減少毛刺方面表現最差。

微量切削液介質又被稱為微量潤滑或霧化潤滑，它是將少量切削液與壓縮空氣混合霧化切削液，油粒子在刀具上形成潤滑油薄膜減少了切削區(qū)域摩擦，從而降低加工過程中產生的熱量[10]。文獻[10]研究了車削304不銹鋼時，干切削、澆灌切削液和微量切削液介質對切屑形態(tài)及工件表面粗糙度Ra的影響，試驗結果表明，微量切削液介質能明顯降低表面粗糙度Ra，改善刀具的斷屑性能。文獻[12]研究了銑削7050鋁合金時，干切削、澆灌切削液和微量切削液介質的冷卻降溫性能，試驗結果表明，微量切削液介質具有較好的冷卻效果并能獲得較好的工件表面質量，從根源上減少切削熱的產生。文獻[13]研究了微量切削液介質對資源消耗和環(huán)境影響等方面的影響，利用功能目標體系的分解及模糊評價的計算方法，分析得出綜合效益最優(yōu)的是微量切削液介質。因此，微量切削液介質既減少了成本消耗，降低切削液對工件的污染，又起到冷卻潤滑作用，減少了刀具磨損。

眾多學者研究了常規(guī)尺寸加工中，兩種或三種切削介質對刀具磨損和表面質量等方面的影響規(guī)律。但是，在微細銑削中，三種以上切削介質對切削力、刀具磨損以及加工質量影響研究卻很少。因此，本試驗通過四種切削介質下6061鋁合金的微細銑削試驗，研究了不同切削介質對刀具磨損、切削力和表面粗糙度Ra的影響規(guī)律，并分析評價出能夠減小刀具磨損和切削力，保證加工質量的最佳切削介質。

2 試驗研究方案

2.1 切削介質

微細銑削試驗分別在干切削、澆灌切削液、微量切削液和低溫冷風介質下進行，各切削介質的具體情況，如表1所示。切削液型號為EFFIGIENT B804，采用1：20水油比例混合調制。除了干切削外，其它介質的噴嘴均置于刀具切入點處，且與刀具的距離固定為30 mm。

表1 切削介質Tab.1 Cutting Media

2.2 銑削參數與走刀方式

基于先前的試驗研究，選擇的銑削參數，如表2所示。銑削總長度為440 m，每銑削110 m，采集刀具磨損、切削力和工件表面粗糙度Ra值。銑削方式為順逆銑混合，循環(huán)往復進給，如圖1所示。

表2 銑削參數Tab.2 Milling Parameters

圖1 走刀路線圖Fig.1 Tool Moving Path Design

2.3 試驗裝置及材料

本試驗在桌面式數控微細銑削機床3A-S100上進行，該機床三個軸均安裝高精度光柵尺，定位精度為0.1μm，軸向與徑向跳動均小于1μm，主軸最高轉速達80000 r/min，如圖2所示。

圖2 機床系統(tǒng)圖Fig.2 Micromilling System

試驗所用工件材料為6061鋁合金[14]，尺寸規(guī)格為10 mm×10 mm×20 mm，材料化學成分，如表3 所示。刀具為直徑1 mm 的TiAlN涂層雙刃平頭銑刀，刀具的刃圓半徑是5 μm，前角是15°，后角是10°，如圖3所示。

表3 6061鋁合金的化學成分Tab.3 Chemical composition of Al 6061

圖3 刀具形貌Fig.3 Tool Shape

試驗使用Kistler 9257B 壓電式測力儀測量銑削力，該裝置自帶電信號降噪功能，能夠抑制噪聲對信號本身的影響。測量的信號經過5070A10100電荷放大器放大后，由DEWE43A 數據采集系統(tǒng)發(fā)往電腦處理分析。微細銑削中刀具主要受來自切向與徑向力的影響[15]。因此，試驗取切削穩(wěn)定狀態(tài)下的力合成，如公式（1）所示。其中，F—切削合力；Fx和Fy—圓周力和徑向力。

利用Mitutoyo CS-3200粗糙度儀測量銑削側面的粗糙度值，取樣長度設定為0.8 mm，每組工件測量5次，然后取平均值作為最后的結果。試驗選取側刃后刀面磨損寬度（L）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(qū)域邊界的距離，如圖4所示。試驗結束后，通過Quanta 250電子顯微鏡測量刀具側刃磨損值，每組刀具測量5次，取其平均值，并采用能譜儀EDS分析刀具表面成分。

圖4 刀具側刃磨損圖Fig.4 The Wear Band Width of Side Cutting Edge

3 試驗結果與分析

3.1 刀具磨損

試驗中刀具側刃磨損值隨切削長度變化的趨勢，如圖5所示。

圖5 刀具磨損變化趨勢Fig.5 Variation of Tool Wear

由圖5看出，隨切削長度增加，各切削介質的刀具磨損值均呈上升趨勢，但磨損值增長速率不同。微量切削液與澆灌切削液介質的刀具磨損變化趨勢相似，刀具磨損值隨切削長度增加均呈平緩上升趨勢。切削長度小于220m，低溫冷風與干切削介質的刀具磨損值緩慢上升；切削長度大于220m，兩種介質的刀具磨損值急劇上升，但干切削的刀具磨損更快，且刀具磨損值遠高于其它介質。這是由于刀具與工件摩擦產生熱量是一個積聚的過程，切削初期溫度較低，刀具磨損值緩慢上升；隨切削長度增加，切削區(qū)域溫度逐漸升高，加上干切削沒有任何降溫介質，刀具在高溫切屑作用下急劇磨損，導致刀具磨損遠高于其它介質的刀具。

澆灌切削液與微量切削液介質的刀具磨損值遠遠小于干切削與低溫冷風介質，這表明切削液能降低刀具與工件的摩擦，起到更好的冷卻潤滑作用。在切削長度相同時，微量切削液介質的刀具磨損值最小，其次為澆灌切削液和低溫冷風介質，干切削的刀具磨損值最大。因此，微量切削液介質是減小刀具磨損，提高加工效率的最佳選擇。

3.2 刀具磨損形式與磨損機理

當切削長度為440 m 時，四種冷卻潤滑介質的刀具磨損形式，如圖6所示。

圖6 不同切削介質下刀具磨損形式Fig.6 Tool Wear Forms Under Different Cutting Conditions

與圖3中新刀相比，四種切削介質下刀具均出現刀尖鈍圓現象，這表明在高速銑削過程中，刀尖處應力集中，比其它部分更易磨損。干切削與低溫冷風介質的刀具表面出現涂層脫落現象和非正常磨損的切削刃崩刃現象，導致刀具切削能力下降，而微量切削液與澆灌切削液介質下刀具并未出非正常磨損。為進一步研究刀具磨損的原因，對磨損嚴重的干切削下刀具進行磨損機理分析，如圖7、圖8所示。

圖7 粘結磨損圖Fig.7 Adhesive Wear

圖8 磨粒磨損圖Fig.8 Abrasive Wear

如圖7（a）所示，刀具的前刀面出現粘結物，為確定其成分，對圖中粘結物點A和正常區(qū)域點B處進行能譜分析，如圖7（b）、（c）所示。與正常區(qū)域點B能譜相比，點A處粘結物中存在Mg等元素，證明粘結物為6061鋁合金。在高溫高壓作用下，鋁合金切屑附著在刀具表面形成積屑瘤，當工件與刀具相對運動時，刀具涂層材料被帶走，造成了粘結磨損。

如圖8所示，由于工件材料中存在著碳化物和氮化物等硬質點，在加上銑削過程中的切屑摩擦作用，刀具側刃處出現磨損劃痕，形成磨粒磨損。磨粒磨損是一種機械摩擦性質的磨損，它最終會導致刀具涂層松動脫落，加劇刀具磨損。

3.3 切削力

不同切削介質下切削力隨切削長度變化趨勢，如圖9所示。隨切削長度的增加，各切削介質的切削力均呈上升趨勢。與圖5相比，微量切削液和澆灌切削液介質的切削力與刀具磨損變化趨勢相似，各潤滑介質下切削力隨刀具磨損值增大而上升；表明一定切削長度范圍內，可以通過切削力變化趨勢輔助判斷刀具磨損情況。

圖9 切削力變化趨勢圖Fig.9 Variation of Cutting Force

切削長度相同時，低溫冷風介質的切削力值最大且遠高于其它的切削力，其次是干切削和澆灌切削液，微量切削液介質的切削力最小。這是因為體心立方晶格材料易發(fā)生低溫脆化，其低溫切削時切削力會減小，而6061鋁合金不具備低溫脆性，其強度和硬度會隨溫度的降低而增大，刀具切削時切削刃負荷增大，引起低溫冷風介質下的切削力遠高于其它介質的切削力[16]；而微量切削液介質的切削液用量少，銑削加工中高溫導致切削液迅速蒸發(fā)帶走切削熱，切削液在切削接觸區(qū)形成潤滑油膜，使刀具與工件的摩擦減少，切削力低。相比于其它切削介質，微量切削液介質能更有效的減小6061鋁合金加工過程中的切削力，從而改善刀具與工件的摩擦狀態(tài)，減少切削刃負荷，保護刀具。

3.4 已加工表面粗糙度

不同切削介質下表面粗糙度Ra隨切削長度變化曲線，如圖10所示。隨切削長度增加，各介質下工件表面粗糙度Ra均呈上升趨勢。與圖5相比，各介質的表面粗糙度Ra與刀具磨損變化趨勢相似，工件表面粗糙度Ra隨刀具磨損值增大而上升。一定切削長度內，表面粗糙度Ra變化趨勢能夠輔助判斷刀具磨損情況。

圖10 工件表面粗糙度Ra變化趨勢圖Fig.10 Variation of Surface Roughness Ra

切削長度相同時，各切削介質的表面粗糙度Ra與刀具磨損值大小順序相同，干切削的表面粗糙度Ra最大，其次為低溫冷風與澆灌切削液，微量切削液介質的表面粗糙度Ra最小。這是因為干切削下切削區(qū)域溫度高，切屑不易排出，刀具磨損嚴重，這些因素使得已加工表面損傷較大，表面粗糙度Ra遠高于其介質；微量切削液介質下油霧穿透切削區(qū)，帶走摩擦熱和切屑降低溫度，使得刀具與切屑粘附現象減少，表面粗糙度Ra低[16]。綜上所述，微量切削液介質能有效的降低已加工表面的粗糙度，提高工件表面質量。

3.5 最佳切削介質分析

如圖6所示，各切削介質下刀具磨損形式中，微量切削液介質下刀具磨損形式為刀尖鈍圓，并未出現非正常磨損現象；如圖4、圖9和圖10所示，相比于其它介質，微量切削液介質下刀具磨損量、切削力和表面粗糙度Ra值最低，且隨切削長度增加變化趨勢平穩(wěn)。

綜上所述，微量切削液介質有效改善了加工過程中刀具與工件的摩擦狀態(tài)，減少刀具磨損量，降低切削力，提高工件表面質量。因此，微量切削液介質是微細銑削6061鋁合金最佳的切削介質。

4 結論

在四種不同的切削介質下6061鋁合金的微細銑削試驗，研究了切削介質對刀具磨損、切削力和表面粗糙度Ra的影響規(guī)律，進一步揭示了刀具磨損的機理，并確定最佳切削介質。試驗結果表明，干切削和低溫冷風介質下刀具磨損主要形式為刀尖鈍圓、涂層脫落和崩刃，澆灌切削液和微量切削液介質下刀具磨損形式為刀尖鈍圓；粘結磨損與磨粒磨損是造成刀具磨損的主要原因。隨切削長度的增加，各切削介質下刀具磨損量、切削力和表面粗糙度Ra均呈上升趨勢。在一定切削長度內，切削力和表面粗糙度Ra變化趨勢可以輔助判斷刀具磨損情況。微量切削液介質能有效減小刀具磨損和切削力，降低已加工表面的粗糙度，提高工件表面質量，它是微細銑削6061鋁合金最佳的冷卻潤滑介質。該研究對于實際加工中選擇切削介質，以減少刀具磨損，提高加工效率具有重要的指導意義。