切削介質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)量[3]。干切削不需要任何專用的冷卻潤滑介質(zhì)，不僅減少了生產(chǎn)成本，而且還降低了整體生產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)加工中，通過澆灌切削液將切削區(qū)域內(nèi)塑性變形產(chǎn)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(zhuǎn)甚至損壞，降低工件的加工精度。文獻[8]發(fā)現(xiàn)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(chǎn)中。低溫冷風介質(zhì)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(zhì)下切削Ti6Al4V材料時發(fā)現(xiàn)，低溫使切削刃脆化，刀具更容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，這導致低溫冷風介質(zhì)在工件表面質(zhì)量和減少毛刺方面表現(xiàn)最差。

微量切削液介質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的冷卻降溫性能，試驗結果表明，微量切削液介質(zhì)具有較好的冷卻效果并能獲得較好的工件表面質(zhì)量，從根源上減少切削熱的產(chǎn)生。文獻[13]研究了微量切削液介質(zhì)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(zhì)。因此，微量切削液介質(zhì)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(zhì)對刀具磨損和表面質(zhì)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(zhì)對切削力、刀具磨損以及加工質(zhì)量影響研究卻很少。因此，本試驗通過四種切削介質(zhì)下6061鋁合金的微細銑削試驗，研究了不同切削介質(zhì)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(zhì)量的最佳切削介質(zhì)。

2 試驗研究方案

2.1 切削介質(zhì)

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(zhì)下進行，各切削介質(zhì)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(diào)制。除了干切削外，其它介質(zhì)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(zhì)Tab.1 Cutting Media

2.2 銑削參數(shù)與走刀方式

基于先前的試驗研究，選擇的銑削參數(shù)，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(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(jīng)過5070A10100電荷放大器放大后，由DEWE43A 數(shù)據(jù)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(xiàn)—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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的刀具磨損值緩慢上升；切削長度大于220m，兩種介質(zhì)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(zhì)。這是由于刀具與工件摩擦產(chǎn)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(zhì)，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(zhì)的刀具。

澆灌切削液與微量切削液介質(zhì)的刀具磨損值遠遠小于干切削與低溫冷風介質(zhì)，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(zhì)的刀具磨損值最小，其次為澆灌切削液和低溫冷風介質(zhì)，干切削的刀具磨損值最大。因此，微量切削液介質(zhì)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(zhì)的刀具磨損形式，如圖6所示。

圖6 不同切削介質(zhì)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(zhì)下刀具均出現(xiàn)刀尖鈍圓現(xiàn)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(zhì)的刀具表面出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象和非正常磨損的切削刃崩刃現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)點，在加上銑削過程中的切屑摩擦作用，刀具側(cè)刃處出現(xiàn)磨損劃痕，形成磨粒磨損。磨粒磨損是一種機械摩擦性質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的切削力與刀具磨損變化趨勢相似，各潤滑介質(zhì)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(nèi)，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(zhì)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(zhì)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(zhì)下的切削力遠高于其它介質(zhì)的切削力[16]；而微量切削液介質(zhì)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(zhì)，微量切削液介質(zhì)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(zhì)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(zhì)下工件表面粗糙度Ra均呈上升趨勢。與圖5相比，各介質(zhì)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(nèi)，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(zhì)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(zhì)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(zhì)；微量切削液介質(zhì)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(xiàn)象減少，表面粗糙度Ra低[16]。綜上所述，微量切削液介質(zhì)能有效的降低已加工表面的粗糙度，提高工件表面質(zhì)量。

3.5 最佳切削介質(zhì)分析

如圖6所示，各切削介質(zhì)下刀具磨損形式中，微量切削液介質(zhì)下刀具磨損形式為刀尖鈍圓，并未出現(xiàn)非正常磨損現(xiàn)象；如圖4、圖9和圖10所示，相比于其它介質(zhì)，微量切削液介質(zhì)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(zhì)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(zhì)量。因此，微量切削液介質(zhì)是微細銑削6061鋁合金最佳的切削介質(zhì)。

4 結論

在四種不同的切削介質(zhì)下6061鋁合金的微細銑削試驗，研究了切削介質(zhì)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(zhì)。試驗結果表明，干切削和低溫冷風介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(nèi)，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(zhì)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(zhì)量，它是微細銑削6061鋁合金最佳的冷卻潤滑介質(zhì)。該研究對于實際加工中選擇切削介質(zhì)，以減少刀具磨損，提高加工效率具有重要的指導意義。