繼巍

摘 要：微細銑削技術(shù)具有加工精度高、適用材料范圍廣、可進行三維結(jié)構(gòu)加工等優(yōu)點，近幾年得到了飛速發(fā)展，逐漸成為微細加工的重要手段。銑削加工過程復(fù)雜，到加工質(zhì)量及加工效率。工件、刀具、夾具、機床、加工參數(shù)、加工環(huán)境等多種因素都會影響而微細銑削不僅僅是在常規(guī)銑削的基礎(chǔ)上將尺寸減小，學(xué)的范疇，具有白己獨特的加工機理。微細切削尺寸效應(yīng)、最小切削厚度現(xiàn)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(jié)構(gòu)等微細加工領(lǐng)域特有的現(xiàn)象都會顯著影響加工過程，且上述現(xiàn)象均與微細刀具息息相關(guān)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(guān)鍵詞：微細銑削;切削條件;刀具磨損

1 微細銑削技術(shù)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(guī)加工和微納加工之問。微細銑削加工的優(yōu)點在于過程標(biāo)準(zhǔn)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(guī)銑削加工有很大區(qū)別，兩者一個屬于微觀領(lǐng)域一個屬于宏觀領(lǐng)域。微細銑削刀具直徑較小，剛度較低，導(dǎo)致微細銑削時的許用切削力較小，這對選取切削參數(shù)：切削速度、每齒進給量、切深等產(chǎn)生了限制。微細銑削加工與常規(guī)銑削加工主要區(qū)別在于是否存在尺寸效應(yīng)。根據(jù)尺寸效應(yīng)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(dǎo)致的尺寸效應(yīng)，這三者變化均會改變切削刃鈍圓半徑與切削參數(shù)的比值，進而對銑削過程產(chǎn)生影響;另一類是由工件材料晶粒度導(dǎo)致的尺寸效應(yīng)，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(chǎn)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(guān)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(dāng)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(fā)生劃擦、擠壓和犁耕作用，導(dǎo)致毛刺變大、工件表面質(zhì)量降低。

2 微刀具磨損

與常規(guī)銑削相比，微刀具的尺寸小、剛度低，在加工中表現(xiàn)為刀具磨損快，易發(fā)生破損，刀頭折斷等現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)之一，已成為各國學(xué)者研究的熱點問題?；谶z傳算法建立了刀具切削力監(jiān)控系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于微細銑削加工中刀具磨損的研究。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對微刀具磨損均勻性及切削刃破損的預(yù)測。

3 試驗準(zhǔn)備

3.1 試驗設(shè)備

試驗加工機床是微銑削數(shù)控機床3A-S100，如圖1所示。機床主軸最高轉(zhuǎn)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(yù)銑平面。試驗中不同切削條件的加工環(huán)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(zhì)。（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(diào)式冷風(fēng)槍對切削區(qū)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(chǎn)生的三向力，該測量系統(tǒng)由9257B壓電原理測力儀、5070A10100四通道電荷放大器、DEWE43A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tài)，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(wěn)定狀態(tài)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(shè)定為0.8×4mm。本試驗中選取側(cè)刃后刀面磨損寬度作為刀具磨損的評價指標(biāo)，它是指刀具側(cè)刃外邊緣輪廓到磨損區(qū)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(shè)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(shù)據(jù)準(zhǔn)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(yīng)變強化現(xiàn)象和刀具刃口圓弧半徑效應(yīng)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(jié)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(dāng)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(xiàn)磨鈍現(xiàn)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(chǎn)生高溫，且涂層材料與刀具基體的熱膨脹系數(shù)不同，切削區(qū)域溫度頻繁變化，造成刀具出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)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(xiàn)崩刃現(xiàn)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(jīng)超聲波清洗，表面仍粘結(jié)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(jù)以上刀具磨損形式，發(fā)現(xiàn)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(yán)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(tài)，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(xiàn)突然跳動現(xiàn)象，切削狀態(tài)不穩(wěn)定，澆灌潤滑與微量潤滑的 F x 方向切削力表現(xiàn)平穩(wěn)，切削狀態(tài)相對穩(wěn)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(yīng)了刀具磨損狀態(tài)。切削長度為 200m 時，干切削和低溫氣體冷卻的刀具磨損較嚴(yán)重，出現(xiàn)崩刃和刀尖磨鈍現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具切削能力下降，切削力狀態(tài)不穩(wěn)定。新刀在磨合期時，切削力隨刀具磨損增加而迅速上升;穩(wěn)定磨損期，切削過程相對穩(wěn)定，刀具磨損變慢，切削力也相對平穩(wěn)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(jié)語

微細銑削加工技術(shù)是實現(xiàn)微構(gòu)件加工的重要微細加工技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)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(guān)分析，后續(xù)可以考慮從有限元仿真的角度對微細銑削刀具磨損規(guī)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(yù)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(yè)大學(xué)，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(shù)，2018（5）.