小直径立铣刀后刀面磨损带的研究

刀具的磨损不仅影响机床的切削状态，而且与工件加工质量密切相关，因此刀具状态的实时监测是保证加工质量的一项重要措施，而刀具磨损程度的评价指标是刀具状态监测的基础。本文通过分析立铣刀后刀面磨损带的磨损规律及特点，研究了后刀面和副后刀面磨损带宽度VB和磨损带面积AVB在铣刀渐进磨损过程中的变化特点，提出了衡量刀具磨损程度的两个评价指标。

(a)加工条件① (b)加工条件② 1.三角形磨损带 2.梯形磨损带 3.多边形磨损带
图1 铣刀一个刀齿后刀面磨损带示意图

图2 铣刀一个刀齿副后刀面磨损带示意图

1 铣刀磨损量的评价指标刀具后刀面的磨损对加工精度和切削力的影响较前刀面更为显著。由于后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和金属切削研究中，多按后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值(通常以VB表示)来制定磨钝标准。ISO制定了外圆车刀使用寿命实验中的刀具磨钝标准，但该标准只适用于切削实验。在实际加工过程中，存在许多影响刀具磨损的不可预见和难以控制的因素。虽然可将铣刀的每一刀齿看成一把车刀，但铣刀的磨损比车刀的磨损更为复杂，在不同的切削条件下将产生不同的磨损方式。因此，ISO制定的刀具磨钝标准很难在实际生产中推广应用。实验研究结果表明，影响刀具后刀面磨损带的因素很多，如加工条件、工件材料、刀具安装、机床性能、刀具几何角度等，仅以刀具后刀面磨损带中间部分磨损量作为评价指标很难真实、准确和完整地评价刀具磨损状态。图1为在两种不同加工条件下(①主轴转速n=360r/min，切削宽度Rd=9mm，切削深度Ra=2mm，每齿进给量ft=0.0933mm/齿；②主轴转速n=420r/min，切削宽度Rd=9mm，切削深度Ra=4mm，每齿进给量ft=0.1190mm/齿。刀具为HSSf10三刃立铣刀，工件材料均为铸铁)铣刀一个刀齿后刀面的不同磨损带示意图。而在这两种加工条件下，铣刀副后刀面的磨损带是相似的，如图2所示。  为了更准确地判断铣刀磨损情况，可采用后刀面磨损带面积AVB作为衡量刀具磨损程度的另一个指标，主要基于以下原因：

铣刀为多切削刃刀具，以断续切削方式工作，每个刀齿的磨损模式、磨损带形状都不一致，因此铣刀磨损比车刀磨损更为复杂。VB仅为磨损带的一维度量值，而磨损带面积AVB是磨损带的二维度量值，能更准确地反映磨损带的真实状况。

加工条件、切削材料的多样性使磨损带形状经常变化。轴向切削深度的变化会影响磨损带的长度和宽度，有可能造成磨损带宽度不变而长度变化的情况。VB只能反映磨损带宽度的变化，无法反映磨损带长度的变化，而AVB则可反映磨损带长度和宽度两个方向的变化。

试验组号 主轴转速n
(r/min) 切削宽度Rd
(mm) 切削深度Ra
(mm) 每齿进给量ft
(mm/齿) 工件材料 1 360 9 2.0 0.0833 铸铁 2 420 9 4.0 0.1190 铸铁 3 420 9 4.0 0.0952 铸铁 2 420 9 2.0 0.0476 铸钢 2 420 9 4.0 0.0476 铸钢

目前对 VB和磨损带尺寸(计算AVB需要多个尺寸)的测量都只能采用离线测量方式，还无法通过在线测量实时监测铣刀的磨损及破损情况。因此，测量多个磨损带尺寸可使采用间接测量法监测刀具磨损、破损具有更高的准确性和可靠性。

在图1a中，AVB的计算可简化为三角形磨损带、梯形磨损带、多边形(可简化为正方形)磨损带三部分。在图1b中，AVB的计算可简化为三角形磨损带和梯形磨损带两部分。图1a中，一个刀齿后刀面的磨损带面积AVB，i、平均磨损面积AVB、总磨损带面积AVB分别为 图2中，铣刀每一刀齿副后刀面的磨损带面积RAi、平均磨损面积RA、总磨损带面积RA分别为 式中，i为刀齿序号(i=1，2，…，Nf)。 2 小直径立铣刀渐进磨损过程试验表1 铣刀渐进磨损过程试验切削参数

试验条件 加工机床：XHK5140立式加工中心；工件材料：铸铁、铸钢(尺寸190mm×90mm×50mm)；刀具：f直柄立铣刀，螺旋角qh=30°，刀齿数Nf=3；不使用切削液；用JC10型读数显微镜测量每一刀齿后刀面和副后刀面磨损带尺寸。试验切削参数见表1。

试验方法 用20把新铣刀，每5把铣刀分为一组，分别对应表1所示的5组切削用量进行铣刀渐进磨损过程试验，每把铣刀从新刀开始切削，直至刀具磨钝(或破损、折断)为止，其间每隔一定时间测量如图1a(或b)和图2所示的刀具尺寸，每组试验重复4次。在新刀时以及刀具急剧磨损阶段，测量刀具后刀面和副后刀面磨损带尺寸的间隔时间应短一些；在刀具正常磨损阶段，测量间隔时间可稍长一些。

试验结果 按表1所示切削参数进行铣刀渐进磨损过程试验，计算Ai和RAi。在4种不同加工条件下，立铣刀的磨损过程与每个刀齿后刀面及副后刀面的磨损带面积和磨损带宽度的关系分别如图3～6所示。图中，1、2、3分别表示后刀面的第一齿、第二齿和第三齿，4、5、6分别表示副后刀面的第一齿、第二齿和第三齿。

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带面积

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带宽度 加工条件：见表1试验组号1
图3 铣刀后刀面、副后刀面磨损带(1)

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带面积

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带宽度 加工条件：见表1试验组号2
图4 铣刀后刀面、副后刀面磨损带(2)

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带面积

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带宽度 加工条件：见表1试验组号3
图5 铣刀后刀面、副后刀面磨损带(3)

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带面积

(a)铣刀后刀面、副后刀面磨损带宽度 加工条件：见表1试验组号4
图6 铣刀后刀面、副后刀面磨损带(4)

试验结果分析 分析上述试验结果可知：

在立铣刀渐进磨损过程中，每一个刀齿的后刀面磨损带宽度和磨损带面积变化曲线与车刀的典型磨损过程曲线相似，同样存在磨损过程的三个阶段，即初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。 初期磨损阶段的磨损曲线斜率较大。由于刃磨后新刀的后刀面与加工表面间的实际接触面积小，压强大，故磨损很快；新刃磨后刀面上的微观粗糙度也加剧了磨损。从图3～6中可以看出，对应于不同的加工条件，初期磨损阶段经历的时间不同(从几分钟到几十分钟)，初期磨损量的大小也不相同。 正常磨损阶段是刀具工作的有效阶段，磨损曲线基本上是一条向上的斜线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。刀具经过初期磨损后，后刀面上被磨出一条狭窄的不规则磨损带，压强减小，故磨损量的增加也减缓，且比较稳定。磨损带形状与切削参数、工件材料、刀具材料和几何参数等因素有关。 急剧磨损阶段的磨损曲线斜率很大，即磨损强度大。刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高；此时刀具如继续工作，不但不能保证加工质量，且刀具材料消耗增多，加工成本上升。因此应避免使刀具发生剧烈磨损。

后刀面磨损带面积AVB作为衡量刀具磨损程度的另一个指标，比后刀面磨损带宽度VB能更真实、准确和完整地评价刀具磨损状态。因为立铣刀的主切削刃是圆柱面上的螺旋切削刃，在切削刃参加工作的各点上切削载荷不均匀，后刀面磨损也不均匀。在刀尖部分，由于强度和散热条件较差，磨损较为剧烈。在切削刃上靠近工件外表面处(图1a中的区域1)，强度和散热条件较好，磨损较轻微，磨损带宽度也较小。磨损带形状及磨损模式与许多因素有关，切削深度不同，磨损带的中间位置也不同，因此用VB表示刀具磨钝程度和制定磨钝标准不能完整、准确地衡量刀具磨损状态。而后刀面磨损带面积AVB在计算时即考虑了整个磨损带的变化情况，考虑了因加工条件和刀具安装等因素的改变(或误差)而引起的磨损带改变，因此能比较真实地反映铣刀的磨损状态。从图中还可以看出，当刀具达到急剧磨损阶段时，切削过程与磨损带面积的曲线斜率比切削过程与磨损带宽度的曲线斜率大，表明磨损带面积比磨损带宽度增加更快，因此磨损带面积比磨损带宽度能更准确地反映刀具磨损状态。

立铣刀加工一般不能沿轴向进给，因此立铣刀副切削刃(端面上的切削刃)和副后刀面所受切削载荷较小。副后刀面的磨损主要是由加工过程中刀具与工件的摩擦造成的，磨损带形状呈三角形，随着刀具磨损的增加，三角形磨损带不断加大。刀齿副后刀面的磨损带面积和磨损带宽度的变化曲线也存在与车刀磨损过程类似的三个阶段，即初期磨损、正常磨损和急剧磨损阶段。

3 结语加工方式和切削条件的多样性使刀具磨损状态的评价复杂化。本文采用 "#和!?作为衡量刀具磨损程度的两个评价指标，从磨损带的一维和二维度量两个方面评价磨损状态。通过切削试验与研究分析，证明这种评价方法在生产中是切实可行的。