李智扬，吴世雄，毕君东

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

1 引言

汽车、五金等行业有较多的淬硬钢模具，常常采用螺旋立铣刀进行高速铣削加工。加工过程中的切削温度高、切削力大，剧烈的力-热耦合作用将导致刀具磨损加快并容易破损失效。为此，有必要对加工区域进行冷却和润滑，降低切削区域温度，改善加工状态。

传统的切削液冷却法虽然对加工区域起到了一定的冷却作用，但容易引起硬质合金的热应力和剥落现象[1]，并不适用于立铣刀高速铣削；并且切削液在使用过程中还会对自然环境以及工人健康造成危害。基于此，近年来提出了以环保为理念的绿色切削冷却方法，如：强冷气方法（液氮冷却[2-3]或CO2冷却[4-5]）、MQL 冷却方法[6]、气体冷却法。强冷气方法的气体消耗费用较高，往往不太适用于淬硬钢工件加工。MQL 方法在一些车、钻、铣加工取得了良好的切削效果，但是应用于螺旋立铣刀铣削加工的研究文献较少。文献[7]认为MQL 用于螺旋立铣刀的铣削加工能取得一定效果，但其切削速度为47m/min。对于MQL 应用于螺旋立铣刀的高速切削（>100m/min），目前鲜有报道，主要是高速切削条件下容易引起硬质合金螺旋立铣刀的热应力、剥落及崩刃等问题，这与刀具几何结构及喷射不均匀特性有关。因此，相比较而言，气体冷却法可避开强冷气方法和MQL 方法的不利因素，加工过程中无污染，可能是最适合于螺旋立铣刀淬硬钢工件绿色切削加工的冷却方法。

使用工厂气站的压缩空气喷射切削区是其中的一种气体冷却方法，此外，压缩空气通过涡流管喷射切削区是另外一种气体冷却方法。后一种方法并不需要特殊的制冷设备，压缩气体通过涡流管之后，出口处喷射的气体温度通常可以下降（30～40）℃。涡流管气体冷却方法在切削加工的研究尚不多见。文献[8]研究发现，在过共晶硅铝合金（A390）的车削实验中，涡流管冷却法可以有效降低刀具磨损。文献[9]采用涡流管作为辅助冷却设备，对耐燃钛合金（Ti40）进行了相关铣削实验，实验结果表明切削温度和刀具磨损均显著降低。对于螺旋立铣刀高速铣削，尚未见涡流管冷却法的专门性研究及相关报道，对淬硬钢切削的有效性需要展开相关研究。基于以上分析，以淬硬钢为研究对象，对压缩气体冷却法和涡流管冷却法展开螺旋立铣刀高速铣削的刀具磨损对比研究。

2 淬硬钢高速铣削实验设计

实验中的工件材料选择3Cr2Mo 模具钢，其淬火后硬度可达50HRC。刀具选择直径8mm 的超硬纳米涂层硬质合金立铣刀，其螺旋角为45°。实验在MILLTAP 700 加工中心上进行，加工采用顺铣方式。实际加工图，如图1 所示。实验中主要的加工参数，如表1 所示。加工速度设定为201m/min，刀具轴向切深选为8mm。压缩气体冷却法和涡流管冷却法采用相同压强的压缩气体，喷嘴数目均为两支。加工过程中，喷嘴置于刀具两侧，与水平面成45°夹角放置，从而最大程度上覆盖加工区域起到冷却作用。每阶段加工完成后，采用MARCEL AUBERT 双镜头测量仪观察测量刀具磨损。加工全部完成后，采用NanoSEM430 电子扫描显微镜对刀具微观形貌进行进一步的观察分析。

图1 实际加工图Fig.1 Actual Milling Process

表1 加工参数Tab.1 Cutting Parameters

3 实验结果及分析

3.1 刀具磨损结果基础分析

实验中每加工27m 为一个时间节点进行刀具后刀面磨损观测。螺旋立铣刀的后刀面磨损程度相比前刀面较明显，因此实验分析主要针对后刀面展开。最后一次加工后（162m）的刀具后刀面的磨损情况，如图2 所示。观察发现，采用压缩气体进行冷却的刀具磨损程度较大，刀刃附近剥落现象较严重，刀具接近失效。而涡流管冷却方式的刀具磨损及剥落现象均明显低于压缩气体法。

图2 不同冷却方式下的刀具磨损图Fig.2 Tool Wear under Different Cooling Methods

将整个加工过程中各节点的磨损值连接成曲线图，如图3所示。对比发现，在切削的前期阶段（0～54）m，涡流管冷却法与压缩气体冷却法的磨损程度十分接近；在切削的中期阶段（54～108）m，两种冷却方法的差异性逐渐显现，由涡流管喷出的冷风，可以更好的与切削区进行热量交换，起到更加明显的降温效果；在切削的后期阶段（108～162）m），两种冷却方式的差异性得到进一步放大，后刀面磨损值差距明显。

图3 刀具磨损曲线Fig.3 Tool Wear Curve

3.2 刀具磨损微观分析

刀具的硬质合金基体所含元素为C、W、CO，涂层元素为Ti、Al、Si、N，3Cr2Mo 模具钢所含元素为 Fe、Cr、C、Mn、Mo、Si、P、S、V 等。

两种气体冷却方式下，最后一次加工后（162m）的刀具后刀面做扫描电镜分析，其结果，如图4、图5 所示。在淬硬钢的铣削过程中，刀具的主要的磨损形式包括磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损，刀具的破损形式有刀刃剥落、崩刃等。

图4 压缩气体冷却刀具SEM 图Fig.4 SEM of Compressed Air Cooling Tool

压缩气体冷却刀具的后刀面产生了较为严重的剥落现象，剥落带的宽度较大，如图4（a）和4（b）所示。此外后刀面还出现了严重的切屑粘结现象，剥落带与周边过渡区域出现了一些磨粒磨损造成的耕犁痕迹，如图4（b）所示。这通常是由（Al，Ti）xOy等硬质合金颗粒引起[10]。对剥落区域和未剥落区域分别进行了能谱分析。剥落区域的A 点能谱分析发现了大量的W（30.8%）和一定量Co（5.7%）元素，表明刀具基体已经完全裸露，此外还发现了大量的Fe（33.2%）元素，说明发生了较为严重的粘结磨损和扩散磨损现象。在B 点避开后刀面的粘结物进行点扫描，元素分析表明仍存在大量的涂层元素（Al、Ti、N），刀具涂层没有被破坏。此外，还发现了少量的O（8.9%）元素和Fe（6.5%）元素，表明发生了一定程度的氧化磨损和扩散磨损现象。涡流管冷却刀具的后刀面也出现了一定程度上的剥落现象，但剥落带的宽度较小，如图5（a）和5（b）所示。进一步观察，后刀面同样出现了粘结物，但粘结程度明显小于压缩气体冷却，如图5（b）所示。在剥落区域的周边过渡区域为耕犁区，磨粒磨损刻痕明显，该区域较宽，因为剥落区域宽度相比更小。对剥落区域进行能谱分析，剥落区域发现的刀具基体元素W（35.8%）和Co（8.4%），其含量大于压缩气体冷却刀具，说明涡流管冷却刀具的基体相比较完整，剥落程度较小。Fe（27.9%）元素的含量小于压缩气体冷却刀具，说明其粘结和扩散磨损现象相比较轻。对B 点进行能谱分析，与压缩气体冷却刀具类似，刀具涂层基本没有被破坏，同时出现了一定程度的氧化磨损。

图5 涡流管冷却刀具SEM 图Fig.5 SEM of Vortex-Tube Cooling Tool

表2 不同冷却方式下的后刀面磨损情况Tab.2 Flank Wear under Different Cooling Methods

对比两种冷却方式下刀具的SEM 分析结果可列表归纳，如表2 所示。相比于压缩气体冷却方式，涡流管冷却方式的粘结现象减轻，刀刃剥落宽度减小，后刀面磨损带宽度减小。根据文献[11]的研究，粘结磨损与高温密切相关，温度越高粘结现象越明显；又根据文献[12]的研究，高速切削的温度较高容易产生热应力疲劳，这是刀具产生刀刃剥落的重要原因。涡流管冷却方式使压缩气体产生了（30～40）℃的温降，在气体连续喷射的作用下，可以更好的与切削接触区进行热量交换，有效降低切削接触区的温度，因此，最终有效减轻了粘结和热应力，减小了刀刃剥落程度，有效降低了刀具磨损程度。

4 结论

开展了不同冷却方式下高速铣削淬硬钢的加工实验，结果表明：（1）在磨损的初期阶段，刀具切削刃相对锋利，两种冷却方式下刀具磨损程度相近；到了磨损的中后期，涡流管冷却法对刀具磨损起到了很好的抑制作用，刀具磨损明显低于压缩气体方法。（2）两种冷却方式均出现了粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损、磨粒磨损的现象。（3）压缩气体冷却方式的切削刀具的粘结现象十分严重，刀刃剥落宽度较大，而涡流管冷却方式上述现象相对较轻。其主要原因在于涡流管冷却方式使压缩气体产生了（30～40）℃温降，气体连续喷射后产生了显著的切削接触区温降效果，最后显著改善了刀具磨损状况。总之，在淬硬钢模具的高速铣削中，涡流管冷却法可以有效的降低刀具磨损，减少加工成本，加工过程中无污染，是适合于螺旋立铣刀高速铣削淬硬钢的绿色切削冷却方式。