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高速铣削加工中的刀具磨损特性研究近年来，随着制造业的发展，高速铣削加工技术逐渐成为工业制造领域中不可或缺的一环。
而对于高速铣削加工来说，刀具的磨损特性是一个重要的研究方向。
本文将探讨高速铣削加工中刀具磨损的特性，并对其影响因素进行分析。
高速铣削加工中，刀具磨损的特性与切削力、刀具材料、切削参数等因素密切相关。
首先，切削力是刀具磨损的一个重要指标。
随着切削速度的增加，切削力也会随之增加，从而增加刀具的磨损。
这是由于高速下切削力的增加导致刀具与工件的摩擦力增加，从而造成刀具表面的磨损。
其次，刀具材料对磨损特性也起着重要作用。
如今，常见的刀具材料有硬质合金、陶瓷、涂层等。
硬质合金具有较好的韧性和耐磨性，适合用于高速铣削加工。
而陶瓷材料由于其优异的高温抗氧化性能和硬度，在一些特定的高温、高速条件下更适用。
此外，涂层也可提高刀具的硬度和抗磨性，延长其使用寿命。
另外，切削参数的选择对刀具磨损也具有重要影响。
切削速度、进给量和切削深度是常见的切削参数，它们的选择应根据具体工况和工件材料加以合理调整。
过高的切削速度和进给量会导致刀具表面过度磨损，加剧刀具切削面的磨损。
而过大的切削深度容易引起刀具的断裂和剥落，从而影响加工质量。
此外，润滑方式也对刀具的磨损特性产生一定影响。
传统的润滑方式包括干摩擦和润滑剂润滑。
干摩擦往往会引起高温和摩擦热量的积累，进而加剧刀具的磨损。
而润滑剂的使用可以有效减少摩擦热量和摩擦力，从而降低刀具的磨损。
此外，润滑剂还能降低刀具与工件间的摩擦系数，提高加工表面的质量和精度。
最后，刀具消耗的监测和控制也是对刀具磨损特性研究的重要方面。
刀具消耗监测可以通过在线传感器实时监测刀具的磨损情况，从而及时判断刀具的寿命并主动进行更换。
同时，合理的刀具消耗控制也能降低生产成本和提高生产效率。
综上所述，高速铣削加工中刀具磨损特性的研究十分重要。
通过探索切削力、刀具材料、切削参数、润滑方式以及刀具消耗监测和控制等方面的因素，可以为实际生产中刀具的选择和使用提供一定的参考依据。
切削速度对刀具磨损与耐磨性能的影响机理探究引言：刀具磨损和耐磨性能是制造业领域中一个重要的研究课题。
刀具的磨损会导致加工品质下降、生产效率降低、生产成本增加等问题。
而切削速度作为切削加工的一个重要参数，对刀具磨损和耐磨性能具有重要影响。
本文将从理论和实验两个方面，探究切削速度对刀具磨损与耐磨性能的影响机理。
一、切削速度对刀具磨损的理论分析切削速度是指在切削过程中，刀具与工件相对运动的速率。
切削速度的变化会导致切削温度的变化，从而影响刀具磨损程度。
切削速度的增加会导致切削温度升高，加速了刀具磨损的过程。
这是因为在高切削速度下，刀具与工件之间的摩擦热量增多，切削时的剪切力也增大，从而使刀具表面的温度升高，刀具被高温冲击所破坏，磨损加剧。
二、切削速度对刀具耐磨性能的实验验证为验证理论分析的准确性，我们进行了一系列实验。
实验选用了不同切削速度对同一种刀具进行切削加工，并通过测量刀具磨损量来评估刀具的耐磨性能。
实验结果表明，随着切削速度的增加，刀具的磨损量明显增加。
三、切削速度对刀具磨损与耐磨性能的影响机理解释根据实验结果，我们可以解释切削速度对刀具磨损与耐磨性能的影响机理。
首先，高切削速度会使刀具与工件之间的摩擦热量增多，刀具表面温度升高，加速了刀具磨损的过程。
其次，高速切削导致切削承受更大的力，使得刀具容易破损、断裂，从而加剧了刀具的磨损。
因此，切削速度的增加会加速刀具的磨损，降低了刀具的耐磨性能。
四、切削速度选择的原则与优化方法为减少刀具的磨损，提高刀具的耐磨性能，我们需要根据具体的加工需求来选择合适的切削速度。
一般而言，对于硬度较高的材料，选择较低的切削速度，以减少刀具的磨损；对于切削困难的材料，也可以适当降低切削速度。
另外，切削速度还需要与其他切削参数进行综合考虑，找到最佳的切削条件。
通过合理选择切削速度，可以兼顾加工效率和刀具寿命，实现更好的加工效果。
结论：本文通过理论分析和实验验证，探究了切削速度对刀具磨损与耐磨性能的机理。
不同切削工况下刀具的磨损与破损分析切削工况是刀具磨损和破损产生的主要原因之一。
不同的切削工况会对刀具的磨损和破损产生不同的影响。
在本文中，我将对不同切削工况下刀具的磨损和破损进行分析。
切削工况的变化对刀具的磨损和破损有着直接的影响。
在切削过程中，刀具与工件之间有接触和摩擦，这会导致刀具表面的磨损。
同时，不同的切削工况会给刀具带来不同的切削力和切削温度，这也会对刀具造成一定的破损。
首先，切削速度是影响刀具磨损和破损的重要因素之一。
高速切削会使刀具的工作表面受到较大的冲击和摩擦力，容易造成严重的磨损。
此外，高速切削还会产生高温，会使刀具的硬度降低，容易导致刀具的破损。
其次，切削深度也是影响刀具磨损和破损的重要因素之一。
切削深度越大，切削力越大，刀具受到的冲击力也就越大，容易造成刀具的磨损和破损。
因此，在选择切削深度时，需要根据刀具的材料和硬度等因素进行合理的选择。
此外，切削工况中的切削力也会对刀具的磨损和破损产生影响。
切削力的大小与工件材料的硬度、切削条件的选定、刀具的形状和尺寸等因素密切相关。
切削力大会导致刀具受到较大的冲击力，从而增加了刀具的磨损和破损的风险。
此外，切削工况中刀具的润滑状态也会对刀具的磨损和破损产生重要影响。
充分的润滑可以减少刀具的摩擦阻力，降低刀具的磨损和破损的风险。
因此，在切削过程中，需确保切削液的供给充足，以保证刀具的润滑效果。
最后，切削工况中的切削温度也是影响刀具磨损和破损的重要因素之一。
高温会导致刀具的硬度降低，并且在高温下，刀具的材料容易产生热膨胀，导致刀具的破损。
因此，在切削过程中，需要通过降低切削温度的方式来减少刀具的磨损和破损。
综上所述，不同切削工况下刀具的磨损和破损受到多个因素的影响，包括切削速度、切削深度、切削力、刀具的润滑状态和切削温度等。
因此，在实际使用过程中，需要根据工件材料、切削条件和刀具的特性等因素进行合理的切削参数选择，以降低刀具的磨损和破损的风险，提高刀具的使用寿命。
低温切削容易出现的问题
一、刀具磨损加剧
在低温环境下进行切削加工，刀具的磨损会明显加剧。
这是因为低温会导致刀具材料的硬度降低，使得刀具更容易受到磨损。
此外，低温还会影响刀具表面的润滑性能，进一步加剧刀具的磨损。
二、工件表面质量下降
低温切削加工过程中，由于切削力的增大和切削温度的升高，工件的表面质量容易受到影响。
工件表面容易出现裂纹、烧伤等现象，导致工件质量下降。
三、切削力增大
低温环境下，切削材料的硬度增加，使得切削力增大。
过大的切削力可能导致刀具的崩刃或破损，影响加工过程的稳定性和加工质量。
四、切削温度升高
低温切削加工过程中，由于切削力和切削热的作用，切削温度容易升高。
过高的切削温度可能导致刀具失效、工件表面烧伤等问题，影响加工过程的顺利进行。
五、刀具寿命缩短
低温环境下，刀具材料的硬度降低，使得刀具更容易受到磨损。
此外，过高的切削温度和切削力也会加速刀具的磨损和失效。
因此，低温切削加工过程中，刀具的寿命往往会缩短。
综上所述，低温切削加工过程中容易出现刀具磨损加剧、工件表面质量下降、切削力增大、切削温度升高和刀具寿命缩短等问题。
为了确保加工过程的顺利进行和加工质量的提高，需要采取相应的措施来应对这些问题。
例如，选择合适的刀具材料和涂层技术、优化切削参数、加强冷却润滑等。
刀具磨损对表面粗糙度的影响与对策摘要:镍基合金材料在600℃以上高温中具有高强度,抗氧化性及耐腐蚀性的优良性能,常常用于航空,核电等重要领域。
在对其切削加工时,一般采用冷风切削技术。
也就是在对镍基高温合金材料等类似工件材料切削时,使用-30℃-60℃的低温冷风喷射到切削区,同时使用微量的植物油代替润滑剂,达到控制高速切削时切削区温度的目的,从而有效减小刀具刃的磨损,进而减少表面粗糙度。
本文阐述通过设置不同的切削实验条件,对高温合金材料进行高速切削,分析不同条件下刀具刃磨损情况,并就刀具磨损的深浅程度对加工件表面粗糙度的不同影响进行分析。
关键词:刀具磨损切削冷风切削技术Abstract:the nickel-based alloy materials in 600℃high temperature above has high strength,oxidation resistance and corrosion resistance of good performance,often used in aviation,nuclear power,and other important fields.In the cutting processing time, generally USES the cold wind cutting technology.Also is to ni-based high-temperature alloy materials and similar workpiece material cutting,use-30℃～60℃low-temperature air cooling jet to cutting area,at the same time use the traces of the vegetable oil instead of lubricant,achieve control of high speed cutting when the temperature of cutting zone of the purpose,thus reduce the cutting tool wear of the blade,and reduce the surfaceroughness.This paper through the set up different cutting experiment conditions,high temperature alloy materials of high speed cutting,analyzes different conditions tool wear blade,and the depth of the tool wear degree of product surface roughness affect different analysis.KeyWords:Tool wear;Cutting;The cold wind cutting technology使用冷风削切技术,一般选用涂层硬质合金刀具或陶瓷刀具。
切削加工中的刀具磨损机理及其修复方法研究切削加工是制造业中的重要一环，而刀具是切削加工过程中最常用的工具之一。
由于材料的物理性质和切削加工的特殊性质，刀具在切削过程中会出现磨损和损坏，进而影响加工质量和效率。
因此，对于刀具的磨损机理和修复方法的研究是十分必要的。
一、刀具磨损机理刀具的磨损机理比较复杂，主要包括刀面热磨损、刀面化学磨损、刀面机械磨损和边缘磨损等。
1. 刀面热磨损刀具在高速切削时，由于切削力和切削温度的作用，会使刀具表面发生高温。
当刀具表面温度达到一定范围时，由于刃口边缘超过了材料的软化温度，会引起材料软化和表面脱落的热剥落。
这种磨损的特点是表面出现焊合和黏着，磨痕呈周期性分布。
2. 刀面化学磨损在某些情况下，刀具在切削过程中与工件表面的化学反应会形成新的化合物，如氧化物、硬质物等，这些化合物与刀具表面摩擦，产生化学反应，从而引起刀具表面的化学磨损。
这种磨损一般呈局部性，表现为斑点状。
3. 刀面机械磨损刀具在高速摩擦下，会出现机械磨损，使刀面表面出现细微的划痕和颗粒粘附，进而影响切削效果和刀具寿命。
对于铣刀来说，刀具破坏方式是刀面切屑和附着屑。
铣屑通常是因为切削速率太高，或者刀具太锋利，不能足够支撑切削液冲洗和切削渣排出。
4. 边缘磨损边缘磨损是指刀具边缘由于切削时接触面积过大，在切削中受到的切削力和锋利性的作用，造成了刀具边缘的磨损。
边缘磨损主要表现为刃口磨损和齿面磨损。
刃口磨损主要是刀具边缘的切削面磨损和刃角损失；齿面磨损则表现为齿面变短或者齿面上出现了齿痕。
二、刀具磨损修复方法针对不同的刀具磨损机理和磨损程度，针对性的进行修复，可以延长刀具使用寿命，降低生产成本。
1. 刀面磨损修复刀面热磨损可以通过切削液的使用来控制，在磨损出现之前，切削液的喷洒可以较大程度地将热量从工件和刀具中移除，减少热剥落的发生。
化学磨损和机械磨损可以通过表面处理，形成一层保护膜，起到抵御化学磨损和机械磨损的作用。
机械加工中的切削温度与刀具磨损研究引言：机械加工是制造业中常见的一种工艺，在加工过程中，刀具的磨损是一个重要的问题。
切削温度是影响刀具磨损的重要因素之一。
本文将探讨机械加工中的切削温度与刀具磨损的关系，并介绍一些常见的研究方法和技术。
一、切削温度对刀具磨损的影响切削温度是指刀具在切削过程中受到的热量，它与切削速度、切削深度、进给量、冷却液等因素有关。
切削温度过高会导致刀具表面产生热损伤，从而加速刀具的磨损。
切削温度过高会导致材料膨胀，从而增加切削力，加剧刀具磨损。
另外，在高温下，切削润滑剂的粘度降低，无法起到良好的润滑作用，进一步加大了切削力，导致刀具磨损加剧。
二、切削温度测量方法为了研究切削温度对刀具磨损的影响，需要对切削温度进行准确测量。
目前常见的切削温度测量方法有以下几种：1. 红外测温法：利用红外辐射原理，通过测量刀具表面的红外辐射温度来估计切削温度。
该方法具有非接触、实时测量的优势，在实际应用中被广泛采用。
2. 热电偶法：利用热电偶的温度-电压特性，通过将热电偶固定在切削区域，测量热电偶的电压变化来估计切削温度。
该方法需要接触测量，对测温位置的选择有一定要求。
3. 热像仪法：利用热像仪对刀具进行全景式拍摄，通过图像处理技术得到刀具的温度分布。
该方法适用于大范围的温度测量，但对设备要求较高。
4. 纳米热探针法：利用纳米热探针在切削区域的局部测温，可以实现高精度的切削温度测量。
该方法近年来得到了广泛的研究和应用。
三、刀具磨损机理刀具磨损在机械加工中是一个常见的问题，刀具的磨损机理与切削温度密切相关。
下面介绍几种常见的刀具磨损机理：1. 磨粒磨损：在切削过程中，工件表面的颗粒或夹杂物会与刀具表面相互磨擦，形成磨粒磨损。
高温下，磨粒会迅速产生热量，导致刀具表面烧伤和磨损。
2. 大气氧化磨损：在切削过程中，刀具表面与大气中的氧气发生反应，形成氧化物，进一步导致刀具表面的磨损。
高温下，氧化反应速度加快，刀具磨损加剧。
深冷处理对高速钢刀具性能的影响及机理研究
高速钢刀具是现代制造业中常用的切削工具之一，其性能的优劣直接影响着加工效率和加工质量。
为了提高高速钢刀具的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，深冷处理技术被广泛应用于刀具的生产制造过程中。
本文旨在研究深冷处理对高速钢刀具性能的影响，并探讨其机理。
深冷处理是通过将刀具材料置于极低温环境中进行冷却处理的一种技术。
通过深冷处理，可以使高速钢刀具的晶粒细化，提高刀具的硬度和耐磨性。
研究表明，深冷处理后的高速钢刀具的硬度可提高10%以上，耐磨性可提高20%以上。
这是因为深冷处理过程中，低温会使钢材中的碳元素更加均匀地分布在晶界和晶内，使晶界处形成较高的碳浓度，从而提高晶界的硬度和耐磨性。
此外，深冷处理还可以提高高速钢刀具的耐腐蚀性。
深冷处理过程中，低温下的冷却速度较快，可以避免刀具表面氧化层的形成。
与未经深冷处理的刀具相比，经过深冷处理的刀具表面更加光滑，抗氧化能力更强，从而提高了刀具的耐腐蚀性。
深冷处理对高速钢刀具性能的影响机理主要有两个方面。
首先，深冷处理可以改变高速钢刀具的晶界结构和碳元素的分布情况，从而提高刀具的硬度和耐磨性。
其次，深冷处理可以改善刀具表面的光洁度和抗氧化能力，提高刀具的耐腐蚀性。
综上所述，深冷处理是一种有效的提高高速钢刀具性能的方法。
通过深冷处理，可以显著提高刀具的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
深冷处理对高速钢刀具性能的影响机理主要包括改变晶界结构和碳元素分布、改善刀具表面的光洁度和抗氧化能力等方面。
未来的研究可以进一步深入研究深冷处理在其他材料和刀具中的应用，并探索更加高效的深冷处理工艺和方法。
冷风切削技术冷风切削技术是在切削时使用—30℃～—60℃的低温冷风和特别微量的植物油代替冷却润滑剂实施切削的方法，适合于车、铣、磨、钻等各种工序，其切削效率比切削液高一倍左右，并且可以提高工件表面质量，延长刀具寿命，加工钛合金、高温合金、淬硬钢等难切削材料。
与常规切削液相比，冷风切削还具有环保功效，改善工作环境，简化切屑回收处理环节，简化切削液处理环节。
可谓即节省成本，又环保增效。
目前，国内冷风切削普及程度还不是很高，因此对于机加工企业，冷风切削的首要作用是解决加工方面的问题，信任随着国家环保政策的完善，冷风切削在车间清洁化改造过程中也会体现巨大的气力。
冷风切削因其冷却和润滑效果都强于一般切削液，因此可以产生更低的切削温度，从而在相同的参数条件下延长刀具寿命，特别是对于高温合金、钛合金、沉淀硬化不锈钢等难切削材料，刀具寿命比干切削或者切削液都可以延长一倍以上；换句话说，保持刀具寿命不变，转而提高切削参数，就可以解决这些材料加工效率低的问题。
例如，东汽、上汽、哈汽利用冷风切削来加工高温合金、航空成都某厂用冷风切削加工钛合金和沉淀硬化不锈钢、重庆某军工厂用来加工高锰钢等材料，重要用在车、铣、磨等多种加工环节。
其次，冷风还可以提高铝合金等粘性材料的脆性，利用冷风切削可以使铝合金等材料达到镜面效果，例如，在宁江机床厂，利用冷风切削加工实现了铝合金的镜面加工，从而代替了昂贵的金刚石刀具。
再者，对于深孔、深腔加工等难加工结构，冷风切削也可以起到良好的效果。
因气体的穿透性比切削液强很多，因此可以更简单的将微量切削油输送到切削点位置，并且在较低的压力下将切屑吹除，达到高压冷却才能达到的效果。
此外，冷风切削可以对大型老机床进行机床改造，使其焕发第二春，如对XX的5米立车进行了机床改造，使该机床具有了润滑冷却的功能，切削力降低很多，使机床的加工本领得到大大加强，为企业节省了购置新设备的大笔费用。
冷风切削，作为一种新兴的机加工技术，可以代替切削液对刀屑接触面进行冷却和润滑，降低切削温度和切削力，是国内企业用来解决难加工问题（材料、工序、结构），提高切削加工效率，车间清洁化改造的不二方案。
第30卷 第5期摩擦学学报V o.l30 N o.5 2010年9月T ri b ology Sept,2010冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响苏 宇1*,何 宁2,李 亮2(1.江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江 212003; 2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京 210016)摘 要:基于复合制冷技术研制1种低温冷风/低温最小量润滑供给装置,使用T i A l N涂层硬质合金刀具进行干切削、最小量润滑(M QL)、低温冷风及低温最小量润滑(低温M QL)条件下镍基高温合金Inconel718的高速车削试验和淬硬钢A ISI D2的高速铣削试验,通过扫描电镜(SE M)和能谱分析(EDS)观察分析硬质合金刀具的磨损形态、磨损机理,研究低温冷风和低温MQ L对高速切削难加工材料刀具磨损的影响.结果表明:高速切削Inconel718和A ISI D2时,刀具磨损机理主要为磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损;低温冷风和低温M QL可有效降低高速切削时的切削温度,进而防止刀具软化,减小磨料磨损和与温度相关的黏结磨损、扩散磨损,因而可大幅度地提高刀具的使用寿命.关键词:低温冷风;低温最小量润滑;难加工材料;高速切削;磨损中图分类号:TG506文献标志码:A文章编号:1004-0595(2010)05-0485-06Effect of Refrigerated A ir Cutting on Tool wear i n H igh-s peedCutting of D ifficult-to-cutM aterialsSU Yu1*,H E N i n g2,L I L iang2(1.Co llege of M echanical E ngineer i ng,J iang su Universit y of Science and T echnology,Zhenjiang212003,China2.C olle ge of M echan ical and E lectr ical Engineering,N anjing Uni versity of A eronautics and A stronautics,N anjing210016,China)A bstrac t:A refr i gerated a i r/cryogenic m i n i m um quantity l ubricati on generator w as dev eloped based on a co m pos itere frigerati on m et hod.T i A l N coated carbi de too lwas used i n h i gh-speed t u rning of Incone l718nicke l-base superall oy andh i gh-speed m illi ng o fA ISI D2hardened stee.l Expe ri m en ts were conducted under different cooli ng/l ubricati on cond iti ons,.i e.dry cutting,m ini m u m quantity l ubr i cation(M QL),refri g era ted a ir,and cryogenic m i ni m u m quantity l ubricati on (cryogenic MQ L).SE M and ED S were used to ana lyze wear m orpholog i es and m echan i s m of cemented carbide too ls.T huse ffect of refri ge ra ted air and cryogenic M QL on t oo l wear w as i nvestig ated i nhi gh-speed cutti ng o f diffi cult-to-cutm ater i a ls.T he results sho w ed t hat the ma i n too l wear m echan is m was abrasive w ear,adhesive w ea r and diffus i on wear i nh i gh-speed cutti ng of d iffi cult-to-cut m ater i a ls.A pplica ti on of refr i gerated a ir and cryogenic M QL i n the h i gh-speedcutting o f difficu lt-to-cu t m ater i a ls reduced the cutti ng te m perat ure effec tive l y,wh ich avo i ded the i n tenerate o f cutti ng tools,and reduced abrasive w ear and ther m all y re lated w ear such as adhesive wear and diff usion w ear.T herefo re, re frigerated a ir and cryogenic MQ L enhanced too l life re m arkably.K ey words:refri g era ted a ir,cryogen i c m ini m u m quantit y l ubr ica ti on,d ifficu lt-to-cu t ma teria l s,h i gh-speed cutti ng, wea rR ece i ved13January2010,rev ised24M ay2010,accepted15June2010,ava ilab le on li ne28Septe m ber2010.*Correspond i ng author.T e:l+86-137********,E-m a i:l suyuli u@高速切削加工技术可以大幅度提高加工效率,降低生产成本,改善已加工表面质量,在难加工材料的加工中得到了广泛的应用[1].难加工材料高速切削时,切削区产生很高的切削温度导致刀具急剧磨损.为降低切削温度,延长刀具使用寿命,通常向切削区浇注大量切削液.然而大量使用切削液会带来零件制造成本大幅度提高、环境的严重污染及危害工人身体健康等负面影响[2-4].因此,很有必要探索研究难加工材料高速切削的绿色冷却润滑技术,减少切削液给环境带来的污染.低温冷风切削是采用-10~-30 的冷风强烈冲刷切削区的1种绿色加工方法.研究表明,低温冷风切削具有显著均匀降低切削区、刀具及工件的温度、延长刀具使用寿命、改善已加工表面质量等优点,适合钛合金、不锈钢、高硅铝合金等难加工材料的高速切削[5-8].如果在冷风中添加微量润滑油混合雾化形成低温最小量润滑(Cryogen ic m i n i m um quantity l u brication,以下简称低温MQL),则改善效果更明显.尽管低温冷风切削在难加工材料的高速切削中有着优异的效果,但目前该技术尚没有得到广泛应用,主要问题在于对低温冷风高速切削难加工材料的作用机理(冷却润滑机理和刀具磨损机理)缺乏深入的理解.为此,本文通过干切削、最小量润滑(m i n i m um quantity lubrication,以下简称MQL)、低温冷风及低温MQL等冷却润滑条件下镍基高温合金和淬硬钢高速切削刀具磨损对比试验,观察分析不同冷却润滑条件下刀具磨损形貌,研究低温冷风和低温MQL对刀具磨损的影响.1 实验部分1.1 低温冷风/低温MQL供给装置试验中采用基于复合制冷技术自行研制的低温冷风/低温MQL供给装置主要由蒸气压缩制冷系统、半导体制冷器和微量油供给系统3个部分组成,如图1所示.大量试验表明,该装置具有制冷速度快、负荷可调性强、冷风温度和压力调节响应能力好等优点,适合生产现场使用.1.2 试验方法镍基高温合金的高速精车削试验在C630车床上进行,采用的刀具为由肯纳公司出产的T i A l N涂层硬质合金可转位机夹刀片KC5010,涂层厚度2~ 3 m,刀片规格SNMG120408,工件材料为I nconel 718.切削参数:切削速度v为76m/m in,进给量f为0.1mm/r,切削深度a p为0.5mm.F i g.1 Sche m atic diag ram of re frigeratedair/cryogen ic MQL equ i p m ent图1 低温冷风/低温M QL供给装置示意图淬硬钢的高速铣削试验在瑞士M i k ron公司生产的UCP710五坐标高速加工中心上进行,铣削方式为顺铣,加工材料为A I SI D2(62HRC),采用的刀具为T i A l N涂层整体硬质合金平底立铣刀,涂层厚度2 m,刀具直径为8mm,齿数为4,螺旋角55.铣削参数:铣削速度v为175m/m i n,每齿进给量f z 为0.08mm,轴向切深a p为4mm,径向切深a e为0.4mm.试验中使用的冷却润滑条件:(1)干切削:不使用任何冷却润滑介质.(2)MQL:压缩空气供给压力为0.6MPa,润滑油为UN I LUB2032,润滑油用量为30mL/h.(3)低温冷风:冷风供给压力为0.6M Pa,温度为-20 ,流量为120L/m i n.(4)低温MQL:冷风供给压力为0.6MPa,温度为-20 ,流量为120L/m i n,润滑油为UN I L UB2032,润滑油用量为90mL/h.采用刀具后刀面刀尖处最大磨损量(VC)和后刀面最大磨损量(VB m ax)来分别评价镍基高温合金高速车削及淬硬钢高速铣削的刀具磨损性能.利用配备数码相机的体式显微镜对磨损刀具后刀面进行拍照留存,再利用专用软件对后刀面磨损进行测量.切削试验结束后,采用扫描电镜(SE M)和能谱分析(EDS)观察分析刀具磨损形貌.2 结果与讨论2.1 刀具后刀面磨损特性在KC5010型T i A l N涂层硬质合金刀片高速精车削I nconel718的刀具磨损试验中,刀具后刀面没有出现切深线沟槽磨损,刀具磨损主要发生在后刀486摩 擦 学 学 报第30卷面刀尖处.图2为不同冷却润滑条件下高速车削I nconel718时后刀面刀尖处最大磨损量随切削时间的变化曲线.从图2中可以看出:干切削时VC值随切削时间迅速增加,而低温冷风和低温MQL时VC 值增加较为缓慢,低温MQL时尤其如此.若取VC 为0.2mm为刀具磨钝标准,则低温冷风和低温MQL条件下的刀具寿命分别为干切削的1.78倍和2.24倍.图3为不同冷却润滑条件下高速铣削淬硬钢A ISI D2时后刀面最大磨损量随切削时间的变化曲线.可以看出:干切削、MQL及低温冷风条件下V B m ax值均随切削时间急剧增大,干切削时VB max值最大,低温冷风时VB max值最小,MQL时VB m ax值与低温冷风时接近.若取VB max为0.2mm为刀具磨钝标准,则MQL和低温冷风条件下的刀具寿命分别是干切削时的2.06倍和2.30倍.可见,低温冷风和低温MQL可有效抑制镍基高温合金和淬硬钢高速切削时的刀具磨损,显著提高刀具寿命.2.2 刀具磨损形态及机理分析图4示出了不同冷却润滑条件下高速车削I ncone l718时刀具终期磨损的微观形貌.镍基高温合金加工硬化严重,切削时容易黏刀.如图4(a)~ (e)所示,干切削、低温冷风和低温MQL条件下硬质合金刀具的切削刃附近、前刀面月牙洼型断屑槽内部及断屑槽以外的前刀面上均有着不同程度的镍基高温合金的黏附现象.其中干切削时黏附现象最为严重,从切屑和工件上来的高温合金已冷焊并层积在刀具前刀面上形成了积屑瘤,而低温冷风和低温MQL时黏附现象较轻,在更长的切削时间里仍只有少量镍基高温合金黏附于刀具表面.干切削时形成的积屑瘤可代替切削刃和前刀面进行切削,起到了保护切削刃和刀具前、后刀面,减少刀具磨损的作用.但积屑瘤的存在是在变化之中,稳定性差,脱落时因!焊结∀作用会带走部分刀具材料,从而加剧刀具的磨损.此外,积屑瘤碎块及I ncone l718中的硬度很高的金属间化合物,如同磨具中的磨料,在切削过程中强烈地耕犁和刻划刀具,造成刀具的磨料磨损.低温MQL条件下刀具后刀面刀尖处磨损带内存在明显的划痕,证实了磨料磨损的存在[见图4(f)].图5为低温MQL条件下高速车削I nconel718后的刀具后刀面刀尖处能谱分析图.从图5中可以看出磨损带存在大量N i和Fe元素,表明刀具后刀面刀尖处黏附有工件材料.在后续加工中,随着刀具与工件材料之间的不断相对运动,黏附于刀具表面的工件材料会因剪切和摩擦而发生脱落,脱落时可带走刀具材料颗粒,引起刀具的黏结磨损.镍基高温合金I ncone l718高温强度高、热导率低,高速切削时在刀-屑与刀-工接触面上存在高温、高压,切削温度可高达1000 以上.在这样高的温度下,工件材料中的Fe和N i元素会向刀具材料中扩散,降低硬质合金刀具中硬质颗粒W C和黏结相Co的结合强度,使得硬质颗粒W C容易在摩擦力的作用下从刀具基体脱落,加剧刀具的磨损[9-10].图6示出了不同冷却润滑条件下高速铣削A ISI D2时刀具终期磨损的微观形貌.从图6中可以看出:干切削、MQL、低温冷风条件下刀尖处均发生破损,并且刀具侧刃后刀面均有部分涂层脱落.铣削是487第5期苏宇,等:冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响F ig.5 EDS spectru m o f flank face of cutti ng t oo l after h i ghspeed turn i ng Incone l718under cryogenic MQ L conditi on图5 低温MQ L条件下高速车削Incone l718后的刀具后刀面刀尖处能谱分析图断续切削过程,刀具切入切出工件时受到机械冲击作用,特别是高速铣削淬硬钢时,由于工件材料硬度高,机械冲击作用变得十分强烈,且冲击频率高,加之刀尖处刚性差,因此各种冷却润滑条件下刀尖均出现了破损.刀尖破损后,其附近的涂层容易被破坏[见图6(a)、(c)、(e)].T i A l N涂层整体硬质合金立铣刀高速铣削A I SI D2过程中,刀具承受交变的机械负荷和热负荷,切削部分表面反复热胀冷缩,由于涂层材料与刀具基体的热膨胀系数不同,这样在T i A l N涂层和刀具基体之间产生交变热应力.在交变热应力与机械应力的综合作用下,涂层开始逐渐脱落.应用冷却润滑一方面可降低淬硬钢高速铣削温度,进而减少涂层高温软化、涂层表面热氧化破损、工件材料向刀具表面的黏附及黏附物从刀具表面脱落时导致的涂层剥落.另一方面冷却润滑也增大了高速铣削时刀具切入切出工件的温度变化,使得涂层与刀具基体之间产生更大的高频交变热应力,促使涂层脱落.冷却润滑对刀具涂层的上述正反2方面作用导致了低温冷风及MQL条件下高速铣削淬硬钢时刀具涂层脱落与干切削相比并无改善[见图6].不同冷却润滑条件下铣削淬硬钢的刀具磨损试验中均观察到了工件材料黏附于刀具侧刃后刀面的现象.这是由于高速铣削淬硬钢时,刀具与工件接触区的压力和温度很高,使得工件材料易于黏附刀具表面.干切削时在铣削初期便有明显工件材料黏附现象,而MQL和低温冷风时在较长的铣削时间才出现此现象,黏结主要体现为层层涂敷[见图6(d)].随着铣削过程的进行,黏结层的厚度增加,当达到一定程度时,其在剪切、摩擦及热力循环冲击的作用下从刀具表面脱落.由于刀具材料组织、化学成分不均匀,且存在为微裂纹,因此当粘结的工件材料从刀具表面脱落时容易带走部分刀具材料颗粒,造成黏结磨损.图7和图8分别为干切削条件下刀具后刀面488摩 擦 学 学 报第30卷F ig .7 ED S spectru m o f flank face of cutti ng t oo l after h i gh speed m illi ng A ISI D2under dry cutti ng cond iti on图7 干切削条件下高速铣削A ISI D2后的刀具后刀面能谱分析图[图6(b)中A]及低温冷风条件下刀具后刀面[图6(f)中B]的能谱分析图.从图6中可以看出,A 处、B 处主要化学成分为W 、Fe 以及少量的T i 、A l 、Co .这表明这2种条件下T i A l N 涂层已部分脱落,显露出硬质合金基体,且工件材料元素Fe 元素均已经扩散到刀具表面.Fe 元素扩散到刀具侧刃后刀面,降低刀具材料的力学性能,使刀具磨损加剧.另外,比较图7和图8中Fe 成分可以发现,低温冷风条件下的Fe 元素远低于干切削条件,表明低温冷风减少了工件材料Fe 元素向刀具后刀面的扩散,亦即其减少了刀具扩散磨损.F i g .8 EDS spectrum of flank face o f cutti ng too l a fter high speed m illi ng A ISI D2under re fr i gerated air condition图8 低温冷风条件下高速铣削A ISI D2后的刀具后刀面能谱分析图综上所述,高速切削I nconel 718和A ISI D2时刀具磨损机理主要为磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损.降低切削温度可以减轻刀具因切削高温而软化,减少工件材料向刀具表面的黏附和扩散,进而可减少高速切削难加工材料时的刀具磨损.与液体相比,气体的冷却能力较低.但冷风切削因使用-10~489第5期苏宇,等:冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响-30 的低温气体扩大了其与切削区的温差,提高了对切削区的强制对流换热能力,且可通过在冷风中添加微量润滑油后,减少切削接触界面的摩擦及润滑油在切削区蒸发后吸收切削热,进一步降低切削温度.图9表明:低温冷风和低温MQL 较常温冷风和MQL 更有效降低切削温度,低温MQL 尤为如此.冷风切削对切削区的优异降温效果使得高速切削难加工材料时刀具寿命得以显著提高.1.D ry ;2.A i r ;3.M QL;4.R e frigerated a ir(-20 );5.Cryogen i c M QL (-20 )F ig .9 E ffect o f cooli ng and l ubr i cation cond iti onson cutti ng te m perature i n h i gh speed t urni ng titan i u m a lloy图9 冷却润滑条件对高速车削钛合金切削温度的影响3 结论a . 低温冷风和低温MQL 可有效抑制镍基高温合金和淬硬钢高速切削时的刀具磨损,显著提高刀具寿命.b. 高速切削Inconel 718和A I SI D2时刀具磨损机理主要为磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损.低温冷风和低温MQL 可有效降低高速切削时的切削温度,进而防止刀具的软化,减小磨料磨损、黏结磨损及扩散磨损,因而可大幅度地提高刀具的使用寿命.4 致谢本研究得到江苏省高校自然科学基础研究项目(08K JB 460002)和国家科技支撑计划项目(2008BAF32B09)资助,在此表示感谢.参考文献:[1] A i X ,L i u Z Q,Zh ao J ,et al .H i gh -speed m achining technology [M ].Beijing :Nati onal Defence Industry Pres s ,2003.(i n C h i nese)[艾兴,刘战强,赵军,等.高速切削加工技术[M ].北京:国防工业出版社,2003].[2] Sok ovicM,M ijanovic K .Ecol og i ca l aspects of t h e cutti ng fl u i dsand its i n fl uen ce on quan ti fi ab le para m eters of t he cu tting p rocesses [J ].J ou rnal of M ateri als P rocess i ng Technology ,2001,109(1-2):181-189.[3] K lock e F ,E is enb latterG.Dry cu tti ng[J].Annals of the C I RP ,1997,46(2):519-526.[4] S reeji th P S,Ngoi B K A.D ry m ach i n i ng :M ach i n i ng of thef u t u re[J ].Journal of M ateri als Processing Tec hno l ogy ,2000,101(1):287-291.[5] Su Y,H e N ,LiL,e ta l .E ffects of 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