氣體風(fēng)冷高速銑削的刀具磨損研究

李智揚(yáng)，吳世雄，畢君東

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

汽車、五金等行業(yè)有較多的淬硬鋼模具，常常采用螺旋立銑刀進(jìn)行高速銑削加工。加工過程中的切削溫度高、切削力大，劇烈的力-熱耦合作用將導(dǎo)致刀具磨損加快并容易破損失效。為此，有必要對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，降低切削區(qū)域溫度，改善加工狀態(tài)。

傳統(tǒng)的切削液冷卻法雖然對(duì)加工區(qū)域起到了一定的冷卻作用，但容易引起硬質(zhì)合金的熱應(yīng)力和剝落現(xiàn)象[1]，并不適用于立銑刀高速銑削；并且切削液在使用過程中還會(huì)對(duì)自然環(huán)境以及工人健康造成危害。基于此，近年來提出了以環(huán)保為理念的綠色切削冷卻方法，如：強(qiáng)冷氣方法（液氮冷卻[2-3]或CO2冷卻[4-5]）、MQL 冷卻方法[6]、氣體冷卻法。強(qiáng)冷氣方法的氣體消耗費(fèi)用較高，往往不太適用于淬硬鋼工件加工。MQL 方法在一些車、鉆、銑加工取得了良好的切削效果，但是應(yīng)用于螺旋立銑刀銑削加工的研究文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為MQL 用于螺旋立銑刀的銑削加工能取得一定效果，但其切削速度為47m/min。對(duì)于MQL 應(yīng)用于螺旋立銑刀的高速切削（>100m/min），目前鮮有報(bào)道，主要是高速切削條件下容易引起硬質(zhì)合金螺旋立銑刀的熱應(yīng)力、剝落及崩刃等問題，這與刀具幾何結(jié)構(gòu)及噴射不均勻特性有關(guān)。因此，相比較而言，氣體冷卻法可避開強(qiáng)冷氣方法和MQL 方法的不利因素，加工過程中無污染，可能是最適合于螺旋立銑刀淬硬鋼工件綠色切削加工的冷卻方法。

使用工廠氣站的壓縮空氣噴射切削區(qū)是其中的一種氣體冷卻方法，此外，壓縮空氣通過渦流管噴射切削區(qū)是另外一種氣體冷卻方法。后一種方法并不需要特殊的制冷設(shè)備，壓縮氣體通過渦流管之后，出口處噴射的氣體溫度通常可以下降（30～40）℃。渦流管氣體冷卻方法在切削加工的研究尚不多見。文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)，在過共晶硅鋁合金（A390）的車削實(shí)驗(yàn)中，渦流管冷卻法可以有效降低刀具磨損。文獻(xiàn)[9]采用渦流管作為輔助冷卻設(shè)備，對(duì)耐燃鈦合金（Ti40）進(jìn)行了相關(guān)銑削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明切削溫度和刀具磨損均顯著降低。對(duì)于螺旋立銑刀高速銑削，尚未見渦流管冷卻法的專門性研究及相關(guān)報(bào)道，對(duì)淬硬鋼切削的有效性需要展開相關(guān)研究。基于以上分析，以淬硬鋼為研究對(duì)象，對(duì)壓縮氣體冷卻法和渦流管冷卻法展開螺旋立銑刀高速銑削的刀具磨損對(duì)比研究。

2 淬硬鋼高速銑削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中的工件材料選擇3Cr2Mo 模具鋼，其淬火后硬度可達(dá)50HRC。刀具選擇直徑8mm 的超硬納米涂層硬質(zhì)合金立銑刀，其螺旋角為45°。實(shí)驗(yàn)在MILLTAP 700 加工中心上進(jìn)行，加工采用順銑方式。實(shí)際加工圖，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)中主要的加工參數(shù)，如表1 所示。加工速度設(shè)定為201m/min，刀具軸向切深選為8mm。壓縮氣體冷卻法和渦流管冷卻法采用相同壓強(qiáng)的壓縮氣體，噴嘴數(shù)目均為兩支。加工過程中，噴嘴置于刀具兩側(cè)，與水平面成45°夾角放置，從而最大程度上覆蓋加工區(qū)域起到冷卻作用。每階段加工完成后，采用MARCEL AUBERT 雙鏡頭測(cè)量?jī)x觀察測(cè)量刀具磨損。加工全部完成后，采用NanoSEM430 電子掃描顯微鏡對(duì)刀具微觀形貌進(jìn)行進(jìn)一步的觀察分析。

圖1 實(shí)際加工圖Fig.1 Actual Milling Process

表1 加工參數(shù)Tab.1 Cutting Parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 刀具磨損結(jié)果基礎(chǔ)分析

實(shí)驗(yàn)中每加工27m 為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刀具后刀面磨損觀測(cè)。螺旋立銑刀的后刀面磨損程度相比前刀面較明顯，因此實(shí)驗(yàn)分析主要針對(duì)后刀面展開。最后一次加工后（162m）的刀具后刀面的磨損情況，如圖2 所示。觀察發(fā)現(xiàn)，采用壓縮氣體進(jìn)行冷卻的刀具磨損程度較大，刀刃附近剝落現(xiàn)象較嚴(yán)重，刀具接近失效。而渦流管冷卻方式的刀具磨損及剝落現(xiàn)象均明顯低于壓縮氣體法。

圖2 不同冷卻方式下的刀具磨損圖Fig.2 Tool Wear under Different Cooling Methods

將整個(gè)加工過程中各節(jié)點(diǎn)的磨損值連接成曲線圖，如圖3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在切削的前期階段（0～54）m，渦流管冷卻法與壓縮氣體冷卻法的磨損程度十分接近；在切削的中期階段（54～108）m，兩種冷卻方法的差異性逐漸顯現(xiàn)，由渦流管噴出的冷風(fēng)，可以更好的與切削區(qū)進(jìn)行熱量交換，起到更加明顯的降溫效果；在切削的后期階段（108～162）m），兩種冷卻方式的差異性得到進(jìn)一步放大，后刀面磨損值差距明顯。

圖3 刀具磨損曲線Fig.3 Tool Wear Curve

3.2 刀具磨損微觀分析

刀具的硬質(zhì)合金基體所含元素為C、W、CO，涂層元素為Ti、Al、Si、N，3Cr2Mo 模具鋼所含元素為 Fe、Cr、C、Mn、Mo、Si、P、S、V 等。

兩種氣體冷卻方式下，最后一次加工后（162m）的刀具后刀面做掃描電鏡分析，其結(jié)果，如圖4、圖5 所示。在淬硬鋼的銑削過程中，刀具的主要的磨損形式包括磨粒磨損、粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損，刀具的破損形式有刀刃剝落、崩刃等。

圖4 壓縮氣體冷卻刀具SEM 圖Fig.4 SEM of Compressed Air Cooling Tool

壓縮氣體冷卻刀具的后刀面產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象，剝落帶的寬度較大，如圖4（a）和4（b）所示。此外后刀面還出現(xiàn)了嚴(yán)重的切屑粘結(jié)現(xiàn)象，剝落帶與周邊過渡區(qū)域出現(xiàn)了一些磨粒磨損造成的耕犁痕跡，如圖4（b）所示。這通常是由（Al，Ti）xOy等硬質(zhì)合金顆粒引起[10]。對(duì)剝落區(qū)域和未剝落區(qū)域分別進(jìn)行了能譜分析。剝落區(qū)域的A 點(diǎn)能譜分析發(fā)現(xiàn)了大量的W（30.8%）和一定量Co（5.7%）元素，表明刀具基體已經(jīng)完全裸露，此外還發(fā)現(xiàn)了大量的Fe（33.2%）元素，說明發(fā)生了較為嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損現(xiàn)象。在B 點(diǎn)避開后刀面的粘結(jié)物進(jìn)行點(diǎn)掃描，元素分析表明仍存在大量的涂層元素（Al、Ti、N），刀具涂層沒有被破壞。此外，還發(fā)現(xiàn)了少量的O（8.9%）元素和Fe（6.5%）元素，表明發(fā)生了一定程度的氧化磨損和擴(kuò)散磨損現(xiàn)象。渦流管冷卻刀具的后刀面也出現(xiàn)了一定程度上的剝落現(xiàn)象，但剝落帶的寬度較小，如圖5（a）和5（b）所示。進(jìn)一步觀察，后刀面同樣出現(xiàn)了粘結(jié)物，但粘結(jié)程度明顯小于壓縮氣體冷卻，如圖5（b）所示。在剝落區(qū)域的周邊過渡區(qū)域?yàn)楦鐓^(qū)，磨粒磨損刻痕明顯，該區(qū)域較寬，因?yàn)閯兟鋮^(qū)域?qū)挾认啾雀　?duì)剝落區(qū)域進(jìn)行能譜分析，剝落區(qū)域發(fā)現(xiàn)的刀具基體元素W（35.8%）和Co（8.4%），其含量大于壓縮氣體冷卻刀具，說明渦流管冷卻刀具的基體相比較完整，剝落程度較小。Fe（27.9%）元素的含量小于壓縮氣體冷卻刀具，說明其粘結(jié)和擴(kuò)散磨損現(xiàn)象相比較輕。對(duì)B 點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，與壓縮氣體冷卻刀具類似，刀具涂層基本沒有被破壞，同時(shí)出現(xiàn)了一定程度的氧化磨損。

圖5 渦流管冷卻刀具SEM 圖Fig.5 SEM of Vortex-Tube Cooling Tool

表2 不同冷卻方式下的后刀面磨損情況Tab.2 Flank Wear under Different Cooling Methods

對(duì)比兩種冷卻方式下刀具的SEM 分析結(jié)果可列表歸納，如表2 所示。相比于壓縮氣體冷卻方式，渦流管冷卻方式的粘結(jié)現(xiàn)象減輕，刀刃剝落寬度減小，后刀面磨損帶寬度減小。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究，粘結(jié)磨損與高溫密切相關(guān)，溫度越高粘結(jié)現(xiàn)象越明顯；又根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究，高速切削的溫度較高容易產(chǎn)生熱應(yīng)力疲勞，這是刀具產(chǎn)生刀刃剝落的重要原因。渦流管冷卻方式使壓縮氣體產(chǎn)生了（30～40）℃的溫降，在氣體連續(xù)噴射的作用下，可以更好的與切削接觸區(qū)進(jìn)行熱量交換，有效降低切削接觸區(qū)的溫度，因此，最終有效減輕了粘結(jié)和熱應(yīng)力，減小了刀刃剝落程度，有效降低了刀具磨損程度。

4 結(jié)論

開展了不同冷卻方式下高速銑削淬硬鋼的加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：（1）在磨損的初期階段，刀具切削刃相對(duì)鋒利，兩種冷卻方式下刀具磨損程度相近；到了磨損的中后期，渦流管冷卻法對(duì)刀具磨損起到了很好的抑制作用，刀具磨損明顯低于壓縮氣體方法。（2）兩種冷卻方式均出現(xiàn)了粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損、磨粒磨損的現(xiàn)象。（3）壓縮氣體冷卻方式的切削刀具的粘結(jié)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，刀刃剝落寬度較大，而渦流管冷卻方式上述現(xiàn)象相對(duì)較輕。其主要原因在于渦流管冷卻方式使壓縮氣體產(chǎn)生了（30～40）℃溫降，氣體連續(xù)噴射后產(chǎn)生了顯著的切削接觸區(qū)溫降效果，最后顯著改善了刀具磨損狀況。總之，在淬硬鋼模具的高速銑削中，渦流管冷卻法可以有效的降低刀具磨損，減少加工成本，加工過程中無污染，是適合于螺旋立銑刀高速銑削淬硬鋼的綠色切削冷卻方式。