超声波对刀具磨损影响的试验研究

0 引言

微细铣削加工中，刀具与工件之间剧烈摩擦产生大 量切削热，刀具易发生磨损失去切削能力，这严重制约 了加工质量和效率。因此，微细铣削中最具挑战的 问题之一是减少刀具的磨损，提高加工质量和效率。在加工过程中，选择适合的切削条件，既能解决切 削区域的冷却和润滑问题，又可以减少刀具磨损。 苏宇等研究了干切削和浇灌润滑条件对毛刺和加工 精度的影响，但试验中缺少对刀具的研究。Aslantas、Liu、Li 等研究了 MQL、低温气体冷却和浇 灌润滑条件对刀具磨损和表面粗糙度 Ｒa 的影响，但 并未 建 立 刀 具 磨 损 与 表 面 质 量 之 间 的 联 系。 Zhang 、Gangul、Marcon 等研究了 MQL、浇灌 润滑和低温冷风条件对刀具寿命、切削温度和毛刺的影响。

1 试验准备

试验加工机床是微铣削数控机床 3A-S100，如图 1 所示。机床主轴最高转速达 80000min － 1 ，三个轴均安 装高精度光栅尺，机床定位精度为 0． 1μm，轴向与径向跳动均小于 1μm。刀具是直径 1mm 的双刃平头涂层 铣刀，涂层材料为 TiAlN，刃圆半径是 5μm，前角是 15°，后角是 10°。为保证试验刀具表面无缺陷，每把刀 具都要进行电子显微镜扫描( SEM) 观察。 工件材料为黄铜 H59，尺寸为 10mm × 10mm × 10mm。 为了保证微细铣削试验中工件加工表面的平面度，所 有的工件都要提前预铣平面。试验中不同切削条件的加工环境，4 种切削条件如下所示:
( 1) 干切削: 不使用任何冷却润滑介质。
( 2) 浇灌润滑: 试验采用微型离心泵供给切削液， 切削液用量为 3L /min。
( 3) 低温气体冷却: 试验使用英国 Meech A60015 可调式冷风枪对切削区域低温气体冷却，气流量为 283L /min，冷却温度为 － 5℃。
( 4) 微量润滑: 试验采用 0． 7MPa 压力空气供给雾 化喷头，喷头空气用量为 150L /min，切削液用量为 50ml /min。

2 试验结果分析

试验完成后，对刀具磨损情况进行观察。当切削 长度为 200m 时，不同切削条件的刀具磨损形式，由不同切削条件的刀具磨损形式可以看出，各切 削条件的刀尖均出现磨钝现象，这是由于刀尖处受力 集中且涂层强度比其它部分薄弱造成的。同时，由于 切屑与刀面摩擦产生高温，且涂层材料与刀具基体的 热膨胀系数不同，切削区域温度频繁变化，造成刀具出 现涂层脱落现象。与其它切削条件的刀具相比，只有干切削条件的切削刃出现崩刃现象，这表明干切削 条件会降低刀具寿命，造成加工成本提高。低温气体 冷却条件的刀具经超声波清洗（建议使用昆山舒美超声波清洗器，更高效，快捷），表面仍粘结大量金属 材料，工件与刀具相对运动时，金属材料会带走涂层， 进一步加剧刀具的磨损。根据以上刀具磨损形式，发 现浇灌与微量润滑的刀具破损较少，干切削与低温气 体冷却的刀具破损更严重，这表明浇灌润滑与微量润 滑条件可以减少刀具的磨损，更适合加工的需要。当切削长度相同时，浇灌润滑条件的刀具磨损量 最小，低温气体冷却条件比其它三种切削条件下的刀 具磨损更严重，刀具磨损量最大。这是因为刀具切削 时受热温度升高，而刀具空切时受低温气体冷却，刀具 表面温度骤冷骤热，拉、压应力交替作用，致使刀具更 容易磨损。同时，低温导致工件分子结构更紧凑，金属 硬度增大，刀具切削阻力增加，加剧刀具磨损。根据刀 具磨损的变化趋势和刀具磨损形式，试验表明浇灌润 滑与微量润滑条件更有利于减少刀具磨损，提高加工 效率。综合分析，切削条件的影响刀具磨损大小的顺 序为: 浇灌润滑 ＜ 微量润滑 ＜ 干切削 ＜ 低温气体冷却

3 结论

应用不同的切削条件，对黄铜 H59 材料进行了微 细铣削试验，研究了切削条件对刀具磨损、切削力和表面粗糙度 Ｒa 的影响规律。试验结果表明，在一定切削 长度范围内，刀具磨损、切削力和表面粗糙度 Ｒa 的变 化趋势相似; 切削力变化趋势可以帮助判别刀具磨损 的情况。以刀具磨损、切削力、表面粗糙度 Ｒa 和环境 污染为评价指标，进行量化评价，最终确定微量润滑条 件为最优切削条件。这对于考虑绿色制造，减少刀具 磨损，提高加工质量的实际生产具有重要的指导意义。