摘要：采用TiAlN涂层硬质合金微径铣刀在微小型机床上对铅黄铜(HPb63-3)工件进行了微细铣削加工试验研究，全面分析了微刀具的磨损、破损形态及磨损失效机理，结果表明：在微细铣削加工条件下，微径铣刀主要失效与磨损区发生在刀尖部位，刀具的磨损与破损形态呈现显著的尺度效应。微细铣削铅黄铜材料时，微刀具的主要失效形式表现为涂层剥落与刀尖破损；主要磨损机理为钻着磨损和磨粒磨损等损伤机制，刀具与工件之间存在着扩散作用，但并不是引起刀具磨损的主要原因。
随着现代科学技术的不断发展，微小型化技术在国防工业、航空航天、生物医学、微电子工业等领域呈现出广泛的应用前景。微型工作母机具有节约能源和空间、易重组等优点，已成为微小零件微细切削加工的重要载体。微小零件的微细铣削工艺中，刀具直径很小，一般在0.1mm～10mm之间，我们称之为微径铣刀。微径铣刀是微刀具的一种，与常规铣削相比，由于微径铣刀的刚度低，加工中刀具的进给量通常采用每齿几个微米甚至更小，而微径铣刀的切削刃钝圆半径通常在几个微米量级，因此导致微细铣削中的每齿进给量大致等同切削刃钝圆半径，这时工件材料在切削刃的摩擦、挤压或耕犁的作用下，产生剧烈的弹塑性变形。在常规铣削中可以忽略的因素(切削刃钝圆半径、刀具微小的跳动、切屑的中断及工件材料的弹性恢复等)对微细铣削过程产生重要影响。许多研究表明当切削深度或每齿进给量远小于切削刃钝圆半径时，将产生明显的尺寸效应。因此，微刀具微细切削工艺将显著地区别于传统刀具的切削加工，呈现显著的尺度效应。目前，国内外学者对微刀具微细切削工艺的研究还集中在机床刀具的加工能力上，对刀具的磨损和破损机理的研究还很少。本文通过微细铣削加工试验及对微径铣刀失效的分析，研究了微细铣削时微径铣刀的磨损、破损形态及其失效机理，旨在为微刀具的优化设计、合理选用及其切削中的摩擦磨损控制提供实验依据。
1 实验部份
1.1 微径铣刀及加工工件
试验中采用双刃TiAlN涂层平头微径铣刀，刀具基体为K30细晶粒硬质合金材料，其材料特性与几何参数如下表所示.TiAlN涂层硬质合金刀具是将具有高化学稳定性与高硬度的TiAlN涂层材料涂附在抗弯强度较高的K类(WC+Co)硬质合会基体表面，继而获得具有高耐磨性和良好高温切削性能的切削刀具。微径铣刀的材料与几何参数表基体材料涂层材料长度
(mm)刃部长度
(mm)刃部直径
(mm)柄部直径
(mm)刃部圆角
(µm)前角
(°)后角
(°)螺旋角
(°)K30TiAlN381.00.53.0351230
工件材料铅黄铜(HPb63-3)，其泊松比为0.29; 弹性模量为105GPa；线膨胀系数为20.5×10
-6K; 密度为8.5g/cm3，铅黄铜具有优良可切削性，且有较高的减摩性能，适合于制造微小零件，在医疗、电子、汽车、钟表等行业中应用广泛。
1.2 试验过程
切削加工试验在哈尔滨工业大学自行研制的三轴联动数控微小型铣床上进行。该机床外形尺寸为300×300×290mm，主轴最大转速为160,0000r/min，最大径向跳动为1µm ，驱动系统重复定位精度为0.25µm，机床控制系统采用了可编程多轴运动控制器(PMAC)，由光栅尺构成全闭环反馈。 铅黄铜微小零件的加工参数分别为：主轴转速为120,000r/min，每齿进给量为1µm ，铣削深度为10µm ，铣削宽度为200µm ，刀具悬伸量为10mm , 冷却方式为空气冷却，铣削方式为顺铣平面。 采用HITACHI S-570型扫描电子显微镜(SEM)观察刀具宏观、微观磨损形态，使用TN-5502型能谱分析仪(EDS)分析刀具磨损区域材料的元素组成。
2 结果及讨论
为了与刀具磨损后的磨损形态进行比较，首先对未进行切削试验前刀具的表面形貌在扫描电子显微镜下进行观察分析。
可以看出，刀具表面呈现许多微小凹坑和微观颗粒物突起，总体上表面质量不高。对应于前刀面圆圈处的能谱分析，通过能谱分析可知，刀具表面涂层主要成分是Ti元素，其次是Al元素，同时也含有微量的Cu、Co、W、Fe等元素，证明WC和Co基本被涂层所覆盖。
2.1 涂层剥落
TiAlN涂层刀具的涂层中Al浓度较高，在切削时表面会生成很薄的非晶态Al
2O3，惰性保护膜，可以有效地用于高温场合，在微细铣削铅黄铜时，涂层可以起到提高刀具耐磨性、减少粘结磨损的作用.在微径铣刀切削加工试验中，TiAlN涂层容易产生破坏和剥落.在微径铣刀切削加工中，由于刀具直径和切削用量都非常小，实际参与切削的部位为主切削刃和刀尖处；主切削刃特别是刀尖处受到强烈的挤压、剪切、摩擦和冲击等作用。与常规涂层刀具(涂层厚度一般5～6×m)相比，由于刀具几何形状的限制，微刀具的涂层很薄(涂层厚度一般为1～2µm)，耐磨性较差.同时，刀尖处涂层强度比其他部位薄弱，由于涂层与基体之间的热膨胀差，在涂层中通常产生热内应力。因此，主切削刃特别是刀尖处的涂层最容易受到破坏，表现为典型的刀具涂层剥落的磨损特征。
2.2刀尖破损
显示了微径铣刀加工铅黄铜时，刀尖发生破损失效时后刀面的SEM形貌。可见，后刀面磨损区为近似的三角形，刀尖处有整块刀具基体材料脱落，呈现典型的刀尖破损形貌.微径铣刀刀尖破损是冲击、机械疲劳和热疲劳综合作用的结果。 在微细铣削加工中，微刀具的径向跳动量是不容忽视的一个重要因素，与常规切削加工相比，刀具径向跳动半径与刀具半径比(r
0/r)要大很多，对于两刃微径铣刀，在微细铣削铅黄铜材料时，由于刀具的装卡和微变形等所引起的刀具轴线与主轴轴线间的偏差，使得一个切削刃执行全部或绝大多数铣削工作，另外一个切削刃只参与少量切削或基本不切削工件，此时，刀具所受切削力显著增加；刀尖处承受复杂的机械与热耦合载荷的作用，刀尖与工件之间的压力较大，应力集中现象显著，同时，铣削中由于切削和空切的循环变化，对刀尖将产生机械疲劳作用.因此，刀具磨损加快，刀尖破损概率明显增加.另外，在涂层剥落的条件下，裸露的刀尖部位摩擦增加，切削温度将升高，并呈现周期性变化，进而产生刀尖的热应力破坏，这也是引起刀尖破损的一个主要原因。刀尖破损表现为微崩刃现象，对工件的表面加工质量产生重要影响，是微刀具切削中尺度效应的主要体现。
2.3 黏着磨损
与常规切削不同，微刀具切削刃钝圆半径对刀具磨损的影响不能忽略，在微细铣削铅黄铜时，每齿进给量远小于切削刃钝圆半径，微刀具以较大的副前角进行切削，刀具与工件问的摩擦，挤压、耕犁作用显著，刀尖与工件接触面积很小，刀具所受径向切削力又很大，因此工件对刀尖产生很大的压应力.由于切屑、工件及刀具的摩擦和挤压破坏了刀具刀尖处的氧化层和吸附膜，刚从工件内部切出的新鲜表面间形成强烈的黏着作用。 可以看出，刀具后刀面上有块状黏着物，对其上面的A处进行能谱分析，其结果.通过能谱分析可以看出，Cu、Zn含量最高，证实黏着物为铅黄铜。
铅黄铜黏着物是在微铣削过程中在切削或摩擦作用下铅黄铜微小切屑在高温和高压作用下产生塑性变形而发生的所谓冷焊现象。试验中铅黄铜粘结主要发生在微刀具的后刀面.当黏着物和铅黄铜的亲和力大于刀具和黏着物之间的黏着力时。粘结界面将会产生很大的拉应力，刀具上的材料会被切屑带走，形成微刀具后刀面的黏着磨损形貌。同时，黏着物粘结在微刀具切削刃附近，改变了微刀具的几何形状，增大了摩擦阻力及刀尖处所受的切削力，加速了刀具的磨损。
2.4 磨粒磨损
由于工件材料中不可避免地存在杂质、材料机体组织中含有碳化物、氮化物和氧化物等硬质点。在切削中这些硬质点将对刀具造成机械磨损，在刀具表面上划出一条条沟纹，形成磨粒磨损。在微细铣削铅黄铜工件时，铅黄铜中含有Fe元素，容易生成FeC硬质点.与普通切削相比，这些硬质点晶粒尺寸与刀具的每齿进给量，刀具基体晶粒尺寸很接近，硬质点与刀具间的摩擦在晶粒间进行，容易造成刀具材料的脱落，形成磨粒磨损的划痕.在左侧刀尖表面存在显著的磨粒磨损特征。
2.5 扩散分析
为确定是否存在扩散现象，在刀具磨损达到磨钝标准后，对刀具进行能谱分析，如B、C、D三处.其中B处和C处的能谱图，D处没有磨损，其能谱图基本一致。
在刀尖磨损B处(刀具基体材料已完全裸露)，Co元素的百分含量为16.4637 wt%，与未切削的硬质合金微铣刀基体中Co含量(约20 wt%)相比，变化不是很显著，Cu和Zn元素的百分含量为0，说明工件材料的Cu、zn元素，并未扩散到刀尖磨损处。虽然微型机床的主轴转速很高，但切削线速度并不高(约188mm/min)，此时由切削热产生的温升没有达到铅黄铜工件材料向刀具扩散的温度.在刀尖磨损C处(刀具涂层明显磨薄)，涂层上Co含量为0.0875wt%，与未磨损前刀具涂层上Co含量(0.6137wt%)相比有所减少，说明Co发生扩散流失，扩散到切屑和工件材料上。在刀具后刀面黏着物A处，Co的含量为0.2589wt%，进一步证明了Co扩散到切屑和工件上去。式1为非稳态固体扩散的菲克定律，其中D为与温度相关的扩散系数，可以用Ar-rhenius方程来表示(式2)。C=(DC)txx(1)D=D
0e-Q/RT(2)D0和Q分别为扩散常数和扩散激活能，取决于物质的成分和结构；R为气体常数，T为热力学温度。由式1和式2可知，扩散速度与扩散系数和元素浓度梯度相关，而扩散系数与温度成指数关系。刀具表面与新鲜的切屑底面之间有较高的浓度差，长时间切削后Co将扩散到工件及切屑上。对于刀具而言，由于Co的扩散，WC、TiC等碳化物会因Co相的减少而降低黏着强度，继而加剧刀具磨损.因此，从SEM图像和能谱分析上看，刀具与工件之间的确存在着相互扩散的行为，但刀具上Co元素的散失量十分微小.因此，在微细铣削铅黄铜材料时所发生的扩散现象并不是引起微刀具磨损的主要原因。
试验中没有发现氧化磨损的特征，分析可知，由于切削线速度较低，难以满足产生显著氧化磨损所需的切削热，不具备氧化所需的温度。因此，可以预测氧化磨损在微刀具切削中对刀具磨损影响不大。
3 结论
- 微细铣削中微径铣刀的磨损呈现显著的尺度效应，刀具的主要失效与磨损区发生在刀尖部位。
- 微细铣削铅黄铜材料时，微刀具主要表现为涂层剥落、刀尖破损、黏着磨损和磨粒磨损等损伤机制。
- 微径铣刀在切削铅黄铜材料时，刀具与工件之间存在着扩散作用，但扩散现象并不是引起刀具磨损的主要原因。
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