T2純銅高速銑削刀具磨損對表面形貌的影響

劉屹，林有希，俞建超

T2純銅高速銑削刀具磨損對表面形貌的影響

劉屹1，林有希2，俞建超2

（福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350116）

滿足T2純銅與日俱增的加工需求，改善T2純銅的加工質量，探究不同銑削速度下刀具損傷和已加工表面形貌之間的內在聯系。根據單因素試驗結果，研究銑削速度對于刀具磨損的影響。在磨損刀具銑削力模型和已加工表面應力模型的基礎上，從銑削力、刀具損傷形式以及磨損機理出發，分析刀具磨損對于已加工表面質量的影響，解析表面缺陷產生的原因，并通過光學和電子顯微鏡對磨損后的刀具表面形貌及已加工表面缺陷進行分類表征。當銑削速度較低時，刀具嚴重的崩刃現象引起了系統銑削力急劇增加，這極大的破壞了銑削系統的穩定性和已加工表面的應力狀態，并導致表面粗糙度增大，形成顫振波紋、表面撕裂等加工缺陷。而當銑削速度較高時，由于刀具的損傷較輕，銑削系統相對穩定，已加工表面仍然保持較好的加工質量,特別是銑削速度為600 m/min時，表面粗糙度a和q的值達到了1.80 μm和2.25 μm，在刀具磨損后仍然分別保持在2.20 μm和3.10 μm左右。在T2純銅的銑削加工中，提高銑削速度對延長刀具壽命，改善已加工表面質量有積極作用。

T2純銅；高速銑削；刀具磨損；表面缺陷

純銅是一種雜質含量極低的高純度銅材，相較于傳統銅合金材料，純銅擁有高耐熱性、高導電率、耐腐蝕等優秀的材料特性以及很強的冷熱加工的承受能力和鑄造性能，因此該材料在電子通訊、汽車工業、航空航天等行業中已經得到了廣泛應用[1-3]。隨著制造行業對于純銅材料需求的日益增加，純銅產品的加工精度和表面質量也被提出了更高的要求。為了滿足業界對于純銅材料的使用需求，提高企業的加工生產效率，具有高效率、高質量和高精度特點的高速銑削技術已經被廣泛運用到銅、鋁合金等高塑性材料的加工生產當中[4-5]，高速銑削純銅逐漸成為了業內重點的科研方向。

在切削變形區強烈摩擦作用的影響下，銑削加工的過程往往伴隨著較大的切削力和較高的切削溫度。在這種強熱力耦合場的作用下，極易引起刀具的磨損行為，最終造成刀具實際形態的變化，影響切削加工的質量和穩定性[6]。ZHANG等[7]通過高速銑削實驗發現，刀具切削刃邊緣存在大量切屑黏附現象，并認為隨著銑削距離的增加，黏附物的不斷堆積會導致切削刃邊緣產生局部的過切現象，從而影響工件的表面粗糙度。雖然ZHANG等從黏附角度研究了刀具損傷形態對于銑削加工質量的影響，但對后刀面磨損卻沒有考慮。在銑削加工中后刀面磨損主要以磨損帶的形式出現，它會使得銑削過程中刀具后角減小，刀具與已加工表面接觸面積增大[8]。為了探究后刀面磨損對于工件表面質量的影響，M"SAOUBI[9]研究了初始與磨損刀具產生的表面形貌的差異性，發現隨著刀具磨損量的增加，工件表面粗糙度急劇惡化，并產生了鋸齒狀的加工表面。FERNANDEZ等[10]則從完整刀具磨損進程對表面粗糙度的變化進行了觀測，發現隨著刀具磨損的增加，表面粗糙度呈現先降低后上升的趨勢，特別是值超過0.2 mm后粗糙度值大幅上升。

隨著刀具磨損的加劇，加工質量不斷惡化，通過電子顯微鏡設備觀察發現，已加工表面往往會產生多種微觀缺陷[11-13]，尤其是純銅這類高塑性材料，在加工變形區的強剪切摩擦作用下材料表面極易發生塑性變形或塑性流動，導致撕裂、溝紋等表面缺陷的產生，從而影響工件的表面質量。目前針對高速銑削純銅表面缺陷的形成過程尚無完備理論，亟待深入研究。

針對制造行業而言，零件的使用性能與其表面質量緊密相關[14]，同時刀具的磨損行為又直接影響切削加工的質量和成本。因此，為了應對日益提升的純銅加工質量需求，研究不同銑削速度下刀具的磨損機理及其對工件表面形貌的影響具有重要的現實意義。本文重點關注不同銑削速度下刀具磨損形態的差異性，從銑削力的角度入手分析不同刀具磨損形態對工件表面質量的影響，解析表面缺陷的產生原因，并得出了適合純銅加工的工藝參數。

1 實驗設置及方案

本實驗所用材料為T2純銅，是一種具有良好機械性能的有色金屬材料。工件的規格為200 mm×100 mm× 10 mm，其硬度為105 HV，抗拉強度為348 Mpa，化學成分如表1所示。

表1 T2純銅化學成分表

Tab.1 Chemical composition of beryllium copper wt.%

實驗采用設備為立式加工中心VMC-850E，最大主軸轉速8 000 r/min。實驗選用直徑為63 mm的銑刀盤，銑刀片材料為（C-W-Co）硬質合金，型號為APMT1604PDER-M2，主偏角90°，前角8°，后角11°，刀尖圓弧半徑0.2 mm。實驗采用瑞士奇石樂公司生產的9257B型三向測力儀對銑削力進行測量。通過掃描電鏡（SEM）和光學顯微鏡對二維刀具的損傷形態和純銅工件的表面形貌進行觀測。使用白光形貌儀對工件的三維形貌進行觀測并測量粗糙度。實驗采用單因素法，具體實驗參數如表2所示。

表2 高速銑削參數

Tab.2 High speed milling parameters

2 結果與討論

2.1 銑削速度對刀具損傷的影響

2.1.1 前刀面磨損分析

圖1為不同銑削速度下刀具前刀面的磨損形貌圖，可以發現在進給方向銑削力的作用下，前刀面與切屑之間發生了強烈的擠壓摩擦，導致前刀面出現大量劃痕和溝壑。當銑削速度為較低的200 m/min和400 m/min時，前刀面溝壑的數量、長度和深度均大幅高于高速環境（如圖1a、b所示），這也意味著在較低銑削速度下刀具承受著較大的銑削力，刀屑摩擦現象更加劇烈。而當銑削速度較高時，大量銑削熱的產生會引起切削溫度上升，導致刀具與工件之間摩擦因素的減小[15]以及工件材料熱發生軟化效應[16]，從而降低了進給方向銑削力，減緩了前刀面與切屑之間的摩擦，最終使得前刀面的損傷減弱（如圖1d、e、f所示）。

從圖1a、b中還可以發現，在摩擦作用的影響下刀尖部分發生了嚴重的崩刃現象，尤其是200 m/min時圓弧狀的刀尖因為磨損變得極不規則，而當銑削速度較高時，刀尖圓弧形狀仍然較為完整，只是在刀具邊緣出現了許多隨機分布的邊緣破損（如圖1d、e、f所示）。在破損區域內原本排列細密的刀具表面變得稀疏而松散，大塊的WC顆粒裸露在外部，這是刀具基體中的Co元素在較高銑削溫度影響下發生擴散流失而造成的結果[17]。失去Co元素的黏接作用后，刀具基體中的WC在銑削過程中隨著切屑的脫落不斷流出刀體，最終造成刀具表面松散層和損傷區域的產生。

2.1.2 后刀面磨損分析

以銑削速度c為單因素變量的刀具磨損試驗結果如圖2a所示，隨著銑削距離的增加，刀具的最大磨損量也逐漸增加，尤其當銑削速度為較低的200 m/min和400 m/min時，刀具的磨損最為劇烈，并且在銑削距離10～15 m的區間內磨損量急劇增大。從圖2b、c可以看出，刀具磨損量突增的原因是刀尖區域發生了嚴重的崩刃現象，特別是當銑削速度為更低的200 m/min時，后刀面的崩刃程度更加嚴重，并且出現了刀具基體剝落的現象。

圖1 不同銑削速度下前刀面磨損形貌

圖2 不同銑削速度下后刀面磨損形貌

當銑削速度為較高的600、800、1 000 m/min時，圖2a的刀具最大磨損量曲線增長較為平穩。從圖2d、e、f可以發現，在較高的銑削速度下后刀面保持了較為完整的刀具形態，刀具磨損形貌也更加規律，在切削刃邊緣產生了一條較為平整均勻的磨損帶，并且沒有出現大幅度、大范圍的崩刃現象，僅當速度為1 000 m/min時在刀尖的圓弧部分發生了較為輕微的崩刃現象。

從上述刀具磨損形貌圖可以看出，在銑削距離相同的前提下，較低的銑削速度往往意味著更長的加工時間，這使得刀具在加工中不但要承擔更大的周期載荷，還要承受更多的沖擊次數，極易引起刀尖部分發生應力集中，進而造成崩刃、基體撕裂等磨損現象的產生。然而在高速環境下刀具后刀面損傷程度顯著降低，這說明高速銑削能夠有效延長刀具的使用壽命，但當銑削速度達到1 000 m/min時，刀具的刀尖仍然會出現破損現象，這是因為過高銑削速度使得刀具與工件之間頻繁地發生接觸摩擦，產生的大量切削熱聚集在刀尖出無法及時傳遞，從而降低了刀具的疲勞強度，最終導致崩刃破損的發生[18]。

圖3所示a、b分別為較高和較低兩類速度下刀具后刀面的磨損形貌及EDS分析圖，不難看出兩者在磨損機理上存在著共同點，即相較于表面平整的未損傷部分，刀具的磨損區域均出現了許多密集的劃痕，這是由于銑削過程中刀具與工件發生相對運動時，工件中存在的硬質點與刀具表面發生連續的滑動摩擦，進而劃傷刀具表面形成了磨粒磨損[19]。通過能譜分析發現，在磨粒磨損的表面隨機附著一些Cu黏結物，實際的加工過程中黏結物往往重復著黏附、脫落的周期現象，這極大影響著刀具的磨損情況[20]。

2.2 高速銑削力分析

2.2.1 磨損刀具銑削力理論模型

銑削力是研究加工過程的重要參數指標，銑削力的變化往往預示著系統加工狀態的改變，并直接影響加工的實際質量。在傳統的切削理論中，往往通過銑削模型的等效二維轉化進行研究，這樣可以減少模型中使用的參數以及得到相似的銑削力特性[21]，然而銑削加工實際上是一種變厚度的切削方式，這一特點往往在簡化模型中會被忽略，這會導致模型的精度受到影響，并不能反映實際的加工情況。為了解決這個問題，YANG等[22]通過解析切削的實際形式，將銑削過程等效為變厚度平面加工過程，如圖4所示。

從平面正交切削理論出發，根據ALTINTAS等[23]提出的銑削力模型可得銑削合力如式（1）所示，而剪切力可以由剪應力和剪切角表示，見式（2），因此對銑削力合力轉化可得式（3），所以根據摩擦角及刀具前角轉化可得式（4）—（5）。

圖3 后刀面磨損形貌及能譜分析

圖4 等效銑削模型

式中：cs分別代表切削寬度、切削深度以及剪切應力，a為摩擦角，r為刀具前角，為剪切角。

當鋒利刀具發生磨損時，后刀面磨損帶的產生會增大刀具與工件的接觸面積，減少刀具銑削時的后角，從而改變銑削過程的實際受力狀態。根據DAVID等[24]的研究可知，磨損狀態下的刀具受力如圖5所示，銑削分力見式（6）—（7）。

式中：fw、tw是后刀面磨損效應帶來的進給方向和切向的銑削力。

2.2.2 實驗銑削力分析

為了進一步研究銑削力與刀具磨損的關系，本研究嘗試記錄初始狀態和磨損狀態下刀具的實際受力情況，并以此分析不同速度下刀具磨損的差異性。從圖6可以看出，無論是否處于磨損狀態，隨著銑削速度的增加，進給方向的銑削分力F總體呈現負相關趨勢。這與2.1節刀具磨損的分析相印證，表明高速加工能改善刀具在實際加工中的受力環境，抑制刀具的磨損行為。

圖5 基于后刀面磨損的切削力狀態

圖6b為銑削距離達到20 m時刀具的受力狀態，磨損狀態時所有速度下F的數值均呈上升態勢，而側向銑削分力F僅在200 m/min和400 m/min時有明顯的增加，這說明進給方向的銑削分力對刀具磨損極為敏感，后刀面磨損極易導致F的快速增加。而側向力F的增加，可能是崩刃現象破壞了刀具切削刃原有的幾何形貌，使得刀具與工件的切入角度發生變化造成的結果。由于銑削加工的斷續特性，刀具受力呈現周期性的特點，因此銑削力的增大會影響銑削系統的穩定系，從而造成已加工表面質量下降。這也意味著受力較小，刀具輪廓相對完整的600 m/min速度可能存在較好的加工質量。

2.3 工件表面形貌研究

2.3.1 考慮刀具磨損的已加工表面應力分布

切削加工本質上是工件與刀具進行相對摩擦運動并發生形變的過程，這勢必導致切削變形區內機械應力源的產生[25]。應力的存在往往會削弱工件的載荷能力，影響工件的尺寸和表面形貌，降低工件加工的質量和精度。YAN等[26]對于初始和磨損狀態下的刀具切削應力狀態進行了研究。如圖7所示，當刀具處于初始狀態時應力源對稱分布在刀尖位置兩側，而當刀具在磨損狀態下應力集中分布在磨損帶與工件表面的接觸面上，這是因為刀具磨損帶的產生改變了刀具與工件之間的切入角度和接觸面積，進而造成切削變形區表面的應力發生變化。刀具的磨損還會造成切削區域摩擦形式的改變，在切削變形區強熱力耦合效應的作用下，刀具后刀面極易發生黏附現象，使得刀具與工件接觸面的摩擦行為從滑動摩擦轉變為黏附區域和滑動區域共存的摩擦形式，這也會進一步改變工件表面形貌，導致表面缺陷的產生。

2.3.2 表面粗糙度

為了更深入探究刀具磨損對T2純銅工件表面質量的影響，本研究嘗試以銑削速度為系統的單因素變量，記錄刀具在不同銑削距離下工件的表面粗糙度。由圖8所見，隨著銑削距離的增加，刀具的損傷不斷加劇，不同銑削速度下加工表面的a和q值均呈現上升趨勢，尤其是銑削速度相對較低時，工件的表面粗糙度最大，并且當銑削距離達到10 m時上升趨勢大幅增加（此時刀具發生崩刃），而銑削速度較高時，表面粗糙度上升的幅度較為平緩，當銑削速度為 600 m/min時存在較好的表面質量。綜合銑削力分析，說明刀具的損傷程度會直接影響刀具的受力狀態，并直接反映在工件的加工質量上。

圖6 初始與磨損刀具銑削力

圖7 鋒利與磨損狀態刀具應力分布

圖8 不同銑削速度下工件表面粗糙度

2.3.2 表面加工缺陷

圖9所示為銑削距離20 m時不同銑削速度下加工表面的形貌圖。隨著銑削距離和刀具磨損的增加，工件表面出現了顫振波紋、表面撕裂等加工缺陷，這直接導致已加工表面粗糙度的增大。從圖中可以發現，在銑削距離達到20 m時，各銑削速度下的加工表面均出現了不同程度的顫振波紋，這是因為刀具磨損引起的銑削力增大，增強了刀具與工件之間的低頻振動，影響銑削系統的穩定性，并最終造成顫振波紋的產生[27]。

通過圖9對比發現，在較低的銑削速度下工件表面的顫振波紋存在較大的震蕩幅度，而當銑削速度較高時，顫振波紋逐漸變得細密。為了進一步了解刀具磨損對于工件加工表面形貌的實際影響，本研究通過三維白光形貌儀分別對初始狀態和磨損狀態下不同銑削速度的加工表面進行掃描。如圖10a所示，當刀具處于初始狀態時，工件表面加工紋路極為規則，波峰波谷錯落有致，這表明在初始階段銑削系統具有較強的穩定性。然而當刀具發生磨損時，在低頻振動的影響下，工件表面加工紋路的方向上發生了塑性滑移，并形成了表面顫振波紋，特別是當銑削速度較低時，由于純銅自身硬度較低，且塑性、延展性較高，銑削力突變帶來的劇烈低頻振動更容易導致工件表面塑性滑移幅度的增大，進而造成工件表面質量的嚴重劣化。而當銑削速度較高時，因為刀具的磨損較輕，銑削力變化相對穩定，故顫振波紋的幅度較為細密，工件表面質量相對較好，如圖10b所示。

劇烈的刀具磨損不僅會造成工件表面紋路的改變，還會導致工件表面脫落產生撕裂現象。如圖9所示，當銑削速度較低時，工件表面出現了大片不規則的撕裂區域，而當銑削速度提高后，表面撕裂的現象逐漸減輕。為了進一步研究工件表面的撕裂現象，本實驗通過掃描電鏡對工件表面進行觀測。從整體形狀方面分析，在速度較低的200 m/min和400 m/min時，撕裂區域的形狀并不規則，呈現很強的隨機性（如圖11a、b所示），而當速度達到1 000 m/min時，已加工表面為規律的帶狀的撕裂區域（如圖11c所示）。根據2.1.2的研究可知，撕裂區域形狀的差異性可能與后刀面的磨損形態有關，在較低速狀態時，刀具崩刃大幅改變了切削刃的實際形態和銑削系統的穩定性，從而導致不規則撕裂區域的隨機產生，而在銑削速度較高時，平整均勻的刀具磨損帶則對應產生了帶狀撕裂區域。從內部結構分析，已加工表面撕裂區域的內部出現了許多凸向一致的撕裂韌渦，這說明是已加工表面的撕裂應力超過了材料的屈服強度，從而引發了材料的斷裂。結合磨損刀具已加工表面應力分布模型和刀具的實際磨損狀況分析可知，后刀面磨損導致刀具與工件接觸面應力狀態與摩擦形式的改變是造成已加工表面產生撕裂現象的主要原因，尤其是在較低速狀態下刀具崩刃極大的影響了銑削系統的實際受力狀態，導致側向力F的增加，使得工件表面的純銅更容易和位于刀具側向的后刀面發生黏結作用，這更加劇了撕裂現象的產生。

圖9 銑削距離為20 m時已加工表面形貌

圖10 初始與磨損刀具已加工表面3D形貌

圖11 已加工表面缺陷

3 結論

1）當純銅加工的銑削速度較低時，刀具極易發生崩刃、基體剝落、溝壑等磨損現象，然而隨著銑削速度的增加，這些現象或減輕或消失，這說明高速銑削對于改善刀具、工件和切屑之間的摩擦，減輕刀具磨損有積極作用。刀具磨損的主要機制為磨粒磨損和黏附磨損。

2）隨著銑削速度的增加，F呈負相關形式。相比于初始階段，刀具磨損后各銑削速度下F的值均出現大幅上升，而F僅在200 m/min和400 m/min時有明顯的增加。在600 m/min的銑削速度下刀具受力情況最好。

3）隨著刀具磨損不斷加劇，已加工表面的粗糙度也不斷增加，尤其在速度較低時，刀具崩刃直接導致已加工表面的a和q值急劇上升，而當銑削速度較高時，工件表面粗糙度僅隨銑削距離穩定上升，其中600 m/min時已加工表面質量最優。已加工表面產生顫振波紋和表面撕裂是影響純銅加工質量的主要原因。隨著銑削速度的增加，顫振波紋的振幅逐漸減小。表面撕裂的形狀與刀具磨損形態有關，表面撕裂產生的原因為后刀面磨損造成的刀具與工件接觸面之間應力狀態和摩擦形式的改變。

[1] 袁慶龍, 梁寧寧. 純銅表面改性工藝研究進展[J]. 材料導報, 2012, 26(S2): 138-140.

YUAN Qing-long, LIANG Ning-ning. Research Progress on Surface Modification Technologies of Pure Copper[J]. Materials Review, 2012, 26(S2): 138-140.

[2] 劉征, 高隴橋. 俄羅斯真空電子器件用無氧銅的現狀和應用[J]. 真空電子技術, 2005(1): 62-65.

LIU Zheng, GAO Long-qiao. The Status Quo of OFHC Used in Vacuum Electronic Device in Russia[J]. Vacuum Electronics, 2005(1): 62-65.

[3] 白明輝. 超高純銅的生產及其高技術應用[J]. 稀有金屬快報, 1996(7): 7-8.

BAI Ming-hui. Production of Ultra-High Purity Copper and Its High Technology Application[J].. Rare Metals Letters, 1996(7): 7-8.

[4] BRINKSMEIER E, PREUSS W, RIEMER O, et al. Cutting Forces, Tool Wear and Surface Finish in High Speed Diamond Machining[J]. Precision Engineering, 2017, 49: 293-304.

[5] YAO Chang-feng, TAN Liang, ZUO Wei, et al. Experim-ental Research on Surface Roughness and Topography of Aluminum Alloy 7055 under High-Speed Milling[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 328: 916-920.

[6] ZUO Jun-yan, LIN You-xi, ZHENG Jia-can, et al. An Investigation of Thermal-Mechanical Interaction Effect on PVD Coated Tool Wear for Milling be/Cu Alloy[J]. Vacuum, 2019, 167: 271-279.

[7] ZHANG Ping, YUE Xiu-jie, WANG Peng-hao, et al. Surface Integrity and Tool Wear Mechanism of 7050-T7451 Alu-m-in-um Alloy under Dry Cutting[J]. Vacuum, 2021, 184: 109886.

[8] XU Wei-xing, ZHANG Liang-chi. Tool Wear and Its Effect on the Surface Integrity in the Machining of Fibre-Reinfo-rced Polymer Composites[J]. Composite Structures, 2018, 188: 257-265.

[9] M'SAOUBI R, LARSSON T, OUTEIRO J, et al. Surface Integrity Analysis of Machined Inconel 718 over Multiple Length Scales[J]. CIRP Annals, 2012, 61(1): 99-102.

[10] FERNáNDEZ-VALDIVIELSO A, LóPEZ DE LACAL-LE L N, URBIKAIN G, et al. Detecting the Key Geome-trical Features and Grades of Carbide Inserts for the Turning of Nickel-Based Alloys Concerning Surface Integrity[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2016, 230(20): 3725-3742.

[11] LIANG Xiao-liang, LIU Zhan-qiang. Experimental Inve-stigations on Effects of Tool Flank Wear on Surface Integrity during Orthogonal Dry Cutting of Ti-6Al-4V[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 93(5): 1617-1626.

[12] GINTING A, NOUARI M. Surface Integrity of Dry Machined Titanium Alloys[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, 49(3-4): 325-332.

[13] SHARMAN A R C, HUGHES J I, RIDGWAY K. Work-piece Surface Integrity and Tool Life Issues when Turning Inconel 718? Nickel Based Superalloy[J]. Machining Science and Technology, 2004, 8(3): 399-414.

[14] 羅恒, 王優強, 張平. 基于單因素法對7A09鋁合金銑削表面質量的研究[J]. 表面技術, 2020, 49(3): 327-333.

LUO Heng, WANG You-qiang, ZHANG Ping. Study on Surface Quality of 7A09 Aluminum Alloy Milling Based on Single Factor Method[J]. Surface Technology, 2020, 49(3): 327-333.

[15] 何寧. 高速切削技術[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 2012.

HE Ning. High speed cutting technology[M]. Shanghai: Shanghai Scientific & Technical Publishers, 2012.

[16] IMBROGNO S, ROTELLA G, RINALDI S. Surface and Subsurface Modifications of AA7075-T6 Induced by Dry and Cryogenic High Speed Machining[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 107(1-2): 905-918.

[17] 王福增. 基于熱—力—微觀組織耦合的鈦合金銑削刀具失效機理研究[D]. 濟南: 山東大學, 2016.

WANG Fu-zeng. Tool Failure Mechanism in Milling of Ti-6Al-4V Alloy Based on Coupled Thermo-Mechanical- Microstructural Modeling[D]. Jinan: Shandong University, 2016.

[18] 張慧萍, 劉國梁, 薛富國, 等. 干式銑削300 M超高強度鋼刀具磨損試驗研究[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2019, 24(3): 54-58.

ZHANG Hui-ping, LIU Guo-liang, XUE Fu-guo, et al. The Study of Tool Wear in Dry Milling 300 M Ultra- High-Strength Steel[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2019, 24(3): 54-58.

[19] BHATT A, ATTIA H, VARGAS R, et al. Wear Mecha-nisms of WC Coated and Uncoated Tools in Finish Turning of Inconel 718[J]. Tribology International, 2010, 43(5-6): 1113-1121.

[20] 左俊彥, 林有希, 何明. 基于黏著特性的刀具磨損機理研究[J]. 表面技術, 2019, 48(7): 364-370.

ZUO Jun-yan, LIN You-xi, HE Ming. Tool Wear Mechanism Based on Adhesion Characteristics[J]. Surface Technology, 2019, 48(7): 364-370.

[21] LEE E H, SHAFFER B W. The Theory of Plasticity Applied to a Problem of Machining[J]. Journal of Applied Mechanics, 1951, 18(4): 405-413.

[22] YANG Dong, LIU Zhan-qiang, REN Xiao-ping, et al. Hybrid Modeling with Finite Element and Statistical Methods for Residual Stress Prediction in Peripheral Milling of Titanium Alloy Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 108-109: 29-38.

[23] ALTINTAS Y. Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC de-si-gn[M]. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2012

[24] SMITHEY D W, KAPOOR S G, DEVOR R E. A New Mechanistic Model for Predicting Worn Tool Cutting Forces[J]. Machining Science and Technology, 2001, 5(1): 23-42.

[25] LIANG Xiao-liang, LIU Zhan-qiang, WANG Bing, et al. Modeling of Plastic Deformation Induced by Thermo- Mechanical Stresses Considering Tool Flank Wear in High- Speed Machining Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2018, 140: 1-12.

[26] YAN Lin, YANG Wen-yu, JIN Hong-ping, et al. Analy-tical Modeling of the Effect of the Tool Flank Wear Width on the Residual Stress Distribution[J]. Machining Science and Technology, 2012, 16(2): 265-286.

[27] 岳彩旭, 劉智博, 南月沖, 等. 金屬銑削表面完整性研究進展[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2020, 25(2): 38-49.

YUE Cai-xu, LIU Zhi-bo, NAN Yue-chong, et al. Research Progress in the Surface Integrity of Metal Milling[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2020, 25(2): 38-49.

The Influence of Tool Wear on Surface Morphology in T2 Pure Copper High Speed Milling

1,2,2

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

The increase of machining distance is inevitably accompanied by the increase of tool wear, which also leads to the deterioration of the machined surface quality. In order to satisfy the increasing processing needs of T2 pure copper and improve the processing quality of T2 pure copper, the work aims to study the internal relationship between tool wear and machined surface morphology at different milling speeds. The experiment takes milling speed as independent variable. According to the single factor test results, the influence of milling speed on tool wear is studied. On the basis of wear tool milling force model and machined surface stress model, the influence of tool wear on machined surface quality and the reason of surface defects are analyzed from milling force, tool damage form and wear mechanism. The tool wear morphology and the machined surface defects are classified and characterized by optical microscope and scanning electron microscope.When the milling speed is low, there is intense extrusion friction between the rake face and the chip due to the relatively large milling forceFin the feed direction, resulting in scratches and grooves on the rake face. Lower milling speed means longer machining time at the same milling distance,it results that the cutting tool in processing not only should take more cycle load, but also bear more impact times. It is easy to cause the stress concentrationat tool tip, so as to make the cutting edge break and tear. Severe tool wear often results in the change of tool geometry and the further deterioration of tool stress state, which destroys the stability of milling system, leads to flutter ripple on workpiece surface, and greatly increases the roughness of machined surface. Tool wear will change the actual friction form between cutter and workpiece and affect the machining surface stress state,so that the tearing stress on the workpiece surface exceeds the yield strength of the material, and then form the surface tearing. However, when the milling speed is higher, the milling system is relatively stable due to the lighter damage of the tool, and the machined surface still maintains good machining quality. Especially when milling speed is 600 m/min, the surface roughnessaandqreaches 1.80 μm and 2.25 μm. It remains around 2.20 μm and 3.10 μm when the tool is worn. In the milling of T2 pure copper, increasing the milling speed has a positive effect on prolonging the tool life and improving the quality of the machined surface.

T2 pure copper; high speed milling; tool wear; surface defects

TG506

A

1001-3660(2022)10-0301-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.032

2021–10–25；

2022–01–12

2021-10-25；

2022-01-12

國家自然科學基金（51975123）；福建省自然科學基金（2019J01212）

Natural Science Foundation of China (51975123); Natural Science Foundation of Fujian Province (2019J01212)

劉屹（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為銅合金銑削加工。

LIU Yi (1996-), Male, Master, Research focus: copper alloy milling processing.

林有希（1967—），男，博士，教授，主要研究方向為先進制造技術。

LIN You-xi (1967—), Male, Doctor, Professor, Research focus: AMT.

俞建超（1989—），男，博士，講師，主要研究方向為先進制造技術。

YU Jian-chao (1989-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: AMT.

劉屹, 林有希, 俞建超等. T2純銅高速銑削刀具磨損對表面形貌的影響[J]. 表面技術, 2022, 51(10): 301-309.

LIU Yi, LIN You-xi, YU Jian-chao. The Influence of Tool Wear on Surface Morphology in T2 Pure Copper High Speed Milling[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 301-309.