氣體風冷高速銑削的刀具磨損研究

李智揚，吳世雄，畢君東

（廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

汽車、五金等行業有較多的淬硬鋼模具，常常采用螺旋立銑刀進行高速銑削加工。加工過程中的切削溫度高、切削力大，劇烈的力-熱耦合作用將導致刀具磨損加快并容易破損失效。為此，有必要對加工區域進行冷卻和潤滑，降低切削區域溫度，改善加工狀態。

傳統的切削液冷卻法雖然對加工區域起到了一定的冷卻作用，但容易引起硬質合金的熱應力和剝落現象[1]，并不適用于立銑刀高速銑削；并且切削液在使用過程中還會對自然環境以及工人健康造成危害。基于此，近年來提出了以環保為理念的綠色切削冷卻方法，如：強冷氣方法（液氮冷卻[2-3]或CO2冷卻[4-5]）、MQL 冷卻方法[6]、氣體冷卻法。強冷氣方法的氣體消耗費用較高，往往不太適用于淬硬鋼工件加工。MQL 方法在一些車、鉆、銑加工取得了良好的切削效果，但是應用于螺旋立銑刀銑削加工的研究文獻較少。文獻[7]認為MQL 用于螺旋立銑刀的銑削加工能取得一定效果，但其切削速度為47m/min。對于MQL 應用于螺旋立銑刀的高速切削（>100m/min），目前鮮有報道，主要是高速切削條件下容易引起硬質合金螺旋立銑刀的熱應力、剝落及崩刃等問題，這與刀具幾何結構及噴射不均勻特性有關。因此，相比較而言，氣體冷卻法可避開強冷氣方法和MQL 方法的不利因素，加工過程中無污染，可能是最適合于螺旋立銑刀淬硬鋼工件綠色切削加工的冷卻方法。

使用工廠氣站的壓縮空氣噴射切削區是其中的一種氣體冷卻方法，此外，壓縮空氣通過渦流管噴射切削區是另外一種氣體冷卻方法。后一種方法并不需要特殊的制冷設備，壓縮氣體通過渦流管之后，出口處噴射的氣體溫度通常可以下降（30～40）℃。渦流管氣體冷卻方法在切削加工的研究尚不多見。文獻[8]研究發現，在過共晶硅鋁合金（A390）的車削實驗中，渦流管冷卻法可以有效降低刀具磨損。文獻[9]采用渦流管作為輔助冷卻設備，對耐燃鈦合金（Ti40）進行了相關銑削實驗，實驗結果表明切削溫度和刀具磨損均顯著降低。對于螺旋立銑刀高速銑削，尚未見渦流管冷卻法的專門性研究及相關報道，對淬硬鋼切削的有效性需要展開相關研究。基于以上分析，以淬硬鋼為研究對象，對壓縮氣體冷卻法和渦流管冷卻法展開螺旋立銑刀高速銑削的刀具磨損對比研究。

2 淬硬鋼高速銑削實驗設計

實驗中的工件材料選擇3Cr2Mo 模具鋼，其淬火后硬度可達50HRC。刀具選擇直徑8mm 的超硬納米涂層硬質合金立銑刀，其螺旋角為45°。實驗在MILLTAP 700 加工中心上進行，加工采用順銑方式。實際加工圖，如圖1 所示。實驗中主要的加工參數，如表1 所示。加工速度設定為201m/min，刀具軸向切深選為8mm。壓縮氣體冷卻法和渦流管冷卻法采用相同壓強的壓縮氣體，噴嘴數目均為兩支。加工過程中，噴嘴置于刀具兩側，與水平面成45°夾角放置，從而最大程度上覆蓋加工區域起到冷卻作用。每階段加工完成后，采用MARCEL AUBERT 雙鏡頭測量儀觀察測量刀具磨損。加工全部完成后，采用NanoSEM430 電子掃描顯微鏡對刀具微觀形貌進行進一步的觀察分析。

圖1 實際加工圖Fig.1 Actual Milling Process

表1 加工參數Tab.1 Cutting Parameters

3 實驗結果及分析

3.1 刀具磨損結果基礎分析

實驗中每加工27m 為一個時間節點進行刀具后刀面磨損觀測。螺旋立銑刀的后刀面磨損程度相比前刀面較明顯，因此實驗分析主要針對后刀面展開。最后一次加工后（162m）的刀具后刀面的磨損情況，如圖2 所示。觀察發現，采用壓縮氣體進行冷卻的刀具磨損程度較大，刀刃附近剝落現象較嚴重，刀具接近失效。而渦流管冷卻方式的刀具磨損及剝落現象均明顯低于壓縮氣體法。

圖2 不同冷卻方式下的刀具磨損圖Fig.2 Tool Wear under Different Cooling Methods

將整個加工過程中各節點的磨損值連接成曲線圖，如圖3所示。對比發現，在切削的前期階段（0～54）m，渦流管冷卻法與壓縮氣體冷卻法的磨損程度十分接近；在切削的中期階段（54～108）m，兩種冷卻方法的差異性逐漸顯現，由渦流管噴出的冷風，可以更好的與切削區進行熱量交換，起到更加明顯的降溫效果；在切削的后期階段（108～162）m），兩種冷卻方式的差異性得到進一步放大，后刀面磨損值差距明顯。

圖3 刀具磨損曲線Fig.3 Tool Wear Curve

3.2 刀具磨損微觀分析

刀具的硬質合金基體所含元素為C、W、CO，涂層元素為Ti、Al、Si、N，3Cr2Mo 模具鋼所含元素為 Fe、Cr、C、Mn、Mo、Si、P、S、V 等。

兩種氣體冷卻方式下，最后一次加工后（162m）的刀具后刀面做掃描電鏡分析，其結果，如圖4、圖5 所示。在淬硬鋼的銑削過程中，刀具的主要的磨損形式包括磨粒磨損、粘結磨損、氧化磨損和擴散磨損，刀具的破損形式有刀刃剝落、崩刃等。

圖4 壓縮氣體冷卻刀具SEM 圖Fig.4 SEM of Compressed Air Cooling Tool

壓縮氣體冷卻刀具的后刀面產生了較為嚴重的剝落現象，剝落帶的寬度較大，如圖4（a）和4（b）所示。此外后刀面還出現了嚴重的切屑粘結現象，剝落帶與周邊過渡區域出現了一些磨粒磨損造成的耕犁痕跡，如圖4（b）所示。這通常是由（Al，Ti）xOy等硬質合金顆粒引起[10]。對剝落區域和未剝落區域分別進行了能譜分析。剝落區域的A 點能譜分析發現了大量的W（30.8%）和一定量Co（5.7%）元素，表明刀具基體已經完全裸露，此外還發現了大量的Fe（33.2%）元素，說明發生了較為嚴重的粘結磨損和擴散磨損現象。在B 點避開后刀面的粘結物進行點掃描，元素分析表明仍存在大量的涂層元素（Al、Ti、N），刀具涂層沒有被破壞。此外，還發現了少量的O（8.9%）元素和Fe（6.5%）元素，表明發生了一定程度的氧化磨損和擴散磨損現象。渦流管冷卻刀具的后刀面也出現了一定程度上的剝落現象，但剝落帶的寬度較小，如圖5（a）和5（b）所示。進一步觀察，后刀面同樣出現了粘結物，但粘結程度明顯小于壓縮氣體冷卻，如圖5（b）所示。在剝落區域的周邊過渡區域為耕犁區，磨粒磨損刻痕明顯，該區域較寬，因為剝落區域寬度相比更小。對剝落區域進行能譜分析，剝落區域發現的刀具基體元素W（35.8%）和Co（8.4%），其含量大于壓縮氣體冷卻刀具，說明渦流管冷卻刀具的基體相比較完整，剝落程度較小。Fe（27.9%）元素的含量小于壓縮氣體冷卻刀具，說明其粘結和擴散磨損現象相比較輕。對B 點進行能譜分析，與壓縮氣體冷卻刀具類似，刀具涂層基本沒有被破壞，同時出現了一定程度的氧化磨損。

圖5 渦流管冷卻刀具SEM 圖Fig.5 SEM of Vortex-Tube Cooling Tool

表2 不同冷卻方式下的后刀面磨損情況Tab.2 Flank Wear under Different Cooling Methods

對比兩種冷卻方式下刀具的SEM 分析結果可列表歸納，如表2 所示。相比于壓縮氣體冷卻方式，渦流管冷卻方式的粘結現象減輕，刀刃剝落寬度減小，后刀面磨損帶寬度減小。根據文獻[11]的研究，粘結磨損與高溫密切相關，溫度越高粘結現象越明顯；又根據文獻[12]的研究，高速切削的溫度較高容易產生熱應力疲勞，這是刀具產生刀刃剝落的重要原因。渦流管冷卻方式使壓縮氣體產生了（30～40）℃的溫降，在氣體連續噴射的作用下，可以更好的與切削接觸區進行熱量交換，有效降低切削接觸區的溫度，因此，最終有效減輕了粘結和熱應力，減小了刀刃剝落程度，有效降低了刀具磨損程度。

4 結論

開展了不同冷卻方式下高速銑削淬硬鋼的加工實驗，結果表明：（1）在磨損的初期階段，刀具切削刃相對鋒利，兩種冷卻方式下刀具磨損程度相近；到了磨損的中后期，渦流管冷卻法對刀具磨損起到了很好的抑制作用，刀具磨損明顯低于壓縮氣體方法。（2）兩種冷卻方式均出現了粘結磨損、氧化磨損、擴散磨損、磨粒磨損的現象。（3）壓縮氣體冷卻方式的切削刀具的粘結現象十分嚴重，刀刃剝落寬度較大，而渦流管冷卻方式上述現象相對較輕。其主要原因在于渦流管冷卻方式使壓縮氣體產生了（30～40）℃溫降，氣體連續噴射后產生了顯著的切削接觸區溫降效果，最后顯著改善了刀具磨損狀況。總之，在淬硬鋼模具的高速銑削中，渦流管冷卻法可以有效的降低刀具磨損，減少加工成本，加工過程中無污染，是適合于螺旋立銑刀高速銑削淬硬鋼的綠色切削冷卻方式。