繼巍

摘 要：微細(xì)銑削技術(shù)具有加工精度高、適用材料范圍廣、可進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)加工等優(yōu)點(diǎn)，近幾年得到了飛速發(fā)展，逐漸成為微細(xì)加工的重要手段。銑削加工過(guò)程復(fù)雜，到加工質(zhì)量及加工效率。工件、刀具、夾具、機(jī)床、加工參數(shù)、加工環(huán)境等多種因素都會(huì)影響而微細(xì)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(dú)特的加工機(jī)理。微細(xì)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(xì)加工領(lǐng)域特有的現(xiàn)象都會(huì)顯著影響加工過(guò)程，且上述現(xiàn)象均與微細(xì)刀具息息相關(guān)本文就微細(xì)銑削中切削條件對(duì)刀具磨損影響的試驗(yàn)展開探討。

關(guān)鍵詞：微細(xì)銑削;切削條件;刀具磨損

1 微細(xì)銑削技術(shù)特點(diǎn)

微細(xì)銑削加工對(duì)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(wèn)。微細(xì)銑削加工的優(yōu)點(diǎn)在于過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)可控、加工對(duì)象材料多樣、形狀靈活多變、能耗較低，其加工機(jī)理與常規(guī)銑削加工有很大區(qū)別，兩者一個(gè)屬于微觀領(lǐng)域一個(gè)屬于宏觀領(lǐng)域。微細(xì)銑削刀具直徑較小，剛度較低，導(dǎo)致微細(xì)銑削時(shí)的許用切削力較小，這對(duì)選取切削參數(shù)：切削速度、每齒進(jìn)給量、切深等產(chǎn)生了限制。微細(xì)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(jī)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(huì)改變切削刃鈍圓半徑與切削參數(shù)的比值，進(jìn)而對(duì)銑削過(guò)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(huì)對(duì)銑削過(guò)程產(chǎn)生影響。在微細(xì)銑削中，隨著每齒進(jìn)給量的變化，切削力與之呈非線性關(guān)系，且每齒進(jìn)給量相對(duì)于切削刃鈍圓半徑越小，非線性趨勢(shì)越明顯，切削比能則隨之加速上升。切削比能反映切削過(guò)程中去除單位體積材料所消耗的能量。當(dāng)每齒進(jìn)給量減小到切削刃鈍圓半徑級(jí)別時(shí)，刀具實(shí)際前角為切削刃鈍圓與基面形成的夾角，為負(fù)前角，使得刀具與材料問(wèn)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(xì)銑削加工關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。基于遺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(xì)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(duì)微刀具磨損均勻性及切削刃破損的預(yù)測(cè)。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)加工機(jī)床是微銑削數(shù)控機(jī)床3A-S100，如圖1所示。機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)80000min-1，三個(gè)軸均安裝高精度光柵尺，機(jī)床定位精度為0.1μm，軸向與徑向跳動(dòng)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(yàn)刀具表面無(wú)缺陷，每把刀具都要進(jìn)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(xì)銑削試驗(yàn)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(yàn)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(rùn)滑介質(zhì)。（2）澆灌潤(rùn)滑：試驗(yàn)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(yàn)使用英國(guó)MeechA60015可調(diào)式冷風(fēng)槍對(duì)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(rùn)滑：試驗(yàn)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(yàn)使用Kistler9257B測(cè)力儀測(cè)量銑削產(chǎn)生的三向力，該測(cè)量系統(tǒng)由9257B壓電原理測(cè)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(hào)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(lái)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(cè)量，分辨率為0.01μm，取樣長(zhǎng)度設(shè)定為0.8×4mm。本試驗(yàn)中選取側(cè)刃后刀面磨損寬度作為刀具磨損的評(píng)價(jià)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(cè)量刀具磨損之前，使用超聲波設(shè)備對(duì)刀具表面進(jìn)行清洗，以去除切屑等對(duì)觀察刀具的影響。同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對(duì)刀具磨損、切削力和表面粗糙度Ra測(cè)量6次，取其平均值。

4 考慮刀具磨損的微細(xì)銑削切削力建模

在微細(xì)銑削中，刀具的磨損速度較快且對(duì)切削力有顯著的非線性影響，需在建模過(guò)程中予以考慮并進(jìn)行理論解釋。微細(xì)銑削切削尺度小，每齒進(jìn)給量通常在l0cm以下，由此引起的材料應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象和刀具刃口圓弧半徑效應(yīng)不可忽視。另外，微細(xì)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(guò)程中考慮刀具偏心的影響。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）刀具磨損。試驗(yàn)完成后，對(duì)刀具磨損情況進(jìn)行觀察。當(dāng)切削長(zhǎng)度為200m時(shí)，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(qiáng)度比其它部分薄弱造成的。同時(shí)，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(huì)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬材料會(huì)帶走涂層，進(jìn)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(rùn)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(rùn)滑與微量潤(rùn)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(yàn)完成后，對(duì)切削力進(jìn)行分析。切削距離 200m時(shí)，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(shì)，上下波動(dòng)較小。低溫氣體冷卻與干切削條件的 F x 方向切削力波動(dòng)較大，并出現(xiàn)突然跳動(dòng)現(xiàn)象，切削狀態(tài)不穩(wěn)定，澆灌潤(rùn)滑與微量潤(rùn)滑的 F x 方向切削力表現(xiàn)平穩(wěn)，切削狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。這是因?yàn)榈毒吣p影響切削力的變化趨勢(shì)，切削力也反應(yīng)了刀具磨損狀態(tài)。切削長(zhǎng)度為 200m 時(shí)，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(shí)，切削力隨刀具磨損增加而迅速上升;穩(wěn)定磨損期，切削過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，刀具磨損變慢，切削力也相對(duì)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(yàn)中，不同切削條件的切削力隨切削長(zhǎng)度變化趨勢(shì)。各切削條件的切削力隨長(zhǎng)度增加呈上升趨勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

微細(xì)銑削加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件加工的重要微細(xì)加工技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。微細(xì)銑削中刀具磨損迅速，且存在與普通銑削不同之處，僅從實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行了相關(guān)分析，后續(xù)可以考慮從有限元仿真的角度對(duì)微細(xì)銑削刀具磨損規(guī)律進(jìn)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(cè)模型。

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