超聲波對刀具磨損影響的試驗研究

0 引言

微細銑削加工中，刀具與工件之間劇烈摩擦產生大 量切削熱，刀具易發生磨損失去切削能力，這嚴重制約 了加工質量和效率。因此，微細銑削中最具挑戰的 問題之一是減少刀具的磨損，提高加工質量和效率。在加工過程中，選擇適合的切削條件，既能解決切 削區域的冷卻和潤滑問題，又可以減少刀具磨損。 蘇宇等研究了干切削和澆灌潤滑條件對毛刺和加工 精度的影響，但試驗中缺少對刀具的研究。Aslantas、Liu、Li 等研究了 MQL、低溫氣體冷卻和澆 灌潤滑條件對刀具磨損和表面粗糙度 Ｒa 的影響，但 并未 建 立 刀 具 磨 損 與 表 面 質 量 之 間 的 聯 系。 Zhang 、Gangul、Marcon 等研究了 MQL、澆灌 潤滑和低溫冷風條件對刀具壽命、切削溫度和毛刺的影響。

1 試驗準備

試驗加工機床是微銑削數控機床 3A-S100，如圖 1 所示。機床主軸最高轉速達 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銑平面。試驗中不同切削條件的加工環境，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。
( 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 Meech A60015 可調式冷風槍對切削區域低溫氣體冷卻，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。

2 試驗結果分析

試驗完成后，對刀具磨損情況進行觀察。當切削 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磨鈍現象，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 切屑與刀面摩擦產生高溫，且涂層材料與刀具基體的 熱膨脹系數不同，切削區域溫度頻繁變化，造成刀具出 現涂層脫落現象。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崩刃現象，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 冷卻條件的刀具經超聲波清洗（建議使用昆山舒美超聲波清洗器，更高效，快捷），表面仍粘結大量金屬 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。根據以上刀具磨損形式，發 現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。當切削長度相同時，澆灌潤滑條件的刀具磨損量 最小，低溫氣體冷卻條件比其它三種切削條件下的刀 具磨損更嚴重，刀具磨損量最大。這是因為刀具切削 時受熱溫度升高，而刀具空切時受低溫氣體冷卻，刀具 表面溫度驟冷驟熱，拉、壓應力交替作用，致使刀具更 容易磨損。同時，低溫導致工件分子結構更緊湊，金屬 硬度增大，刀具切削阻力增加，加劇刀具磨損。根據刀 具磨損的變化趨勢和刀具磨損形式，試驗表明澆灌潤 滑與微量潤滑條件更有利于減少刀具磨損，提高加工 效率。綜合分析，切削條件的影響刀具磨損大小的順 序為: 澆灌潤滑 ＜ 微量潤滑 ＜ 干切削 ＜ 低溫氣體冷卻

3 結論

應用不同的切削條件，對黃銅 H59 材料進行了微 細銑削試驗，研究了切削條件對刀具磨損、切削力和表面粗糙度 Ｒa 的影響規律。試驗結果表明，在一定切削 長度范圍內，刀具磨損、切削力和表面粗糙度 Ｒa 的變 化趨勢相似; 切削力變化趨勢可以幫助判別刀具磨損 的情況。以刀具磨損、切削力、表面粗糙度 Ｒa 和環境 污染為評價指標，進行量化評價，最終確定微量潤滑條 件為最優切削條件。這對于考慮綠色制造，減少刀具 磨損，提高加工質量的實際生產具有重要的指導意義。