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在 过去的几年中，高速铣削作为普通铣削或电加工的替代方案和补充，牢固地确立了与传统加工工艺并驾齐驱的地位。由于它在加工三维曲面、超硬材料方面的显著优 势，它主要应用于模具制造和小批量精密复杂零件加工行业。对于要求大批量零件生产的汽车行业来讲，高速铣削也有其独到之处。尤其在汽车模具加工方面，近几 年蓬勃发展的汽车工业对中国的汽车模具企业提出了严峻的挑战，不仅仅体现在对交货周期的严格要求上，应该说是对汽车模具行业设计能力、工艺能力和制造能力 的全面挑战。从工艺和制造能力的突破上讲，高速铣削技术在缩短模具制造周期、提高制造精度上有着显著的加工优势。

原型零件快速制造

随着汽车市场的繁荣，汽车的更新换代越来越快，要求新产品研制周期尽可能缩短。而高速铣削加工效率高，可切削复杂的型面型腔，尤其与立卧转换5轴联动等柔性加工方式相结合，是原型零件快速制造的极佳解决方案。

汽车零件模具加工

一辆汽车所需模具上千副，模具的制造周期和质量直接影响到汽车的生产周期和质量。高速铣削在汽车复杂零件模具制造方面具有独特的优势。例如：高速铣削中心 在加工安全门锁的注塑模时，所加工材料的硬度为54HRC，使用的最小的刀具为0.6mm，最大切深4.8mm，表面粗糙度达Ra0.4mm。而且不再需 要钳工工序，缩短了加工时间。又如在加工车窗自动升降系统齿轮箱的注塑模时，所加工材料的硬度为58HRC，工件直接铣削部分达85%，其余15%通过电 加工完成，总加工时间为16h，缩短了加工时间的50%。

汽车内饰件模具加工

汽车的更新换代不仅仅体现在性能的提高上，更体现在汽车外观及内饰件的更新上。汽车内饰件多为注塑件，模具的消耗量大，高速铣削能提高模具的制造精度，延长模具的使用寿命，从而提高注塑件的质量。

由此可见，高速铣削在汽车零件模具及内饰件模具的加工上体现出了巨大的技术优势。在加工工艺方面，高速铣削在汽车模具加工中主要应用在以下几个环节中。

（1）加工电极

放电加工工艺基本上需要两个电极来加工一个工件。若要更好地进行放电加工，需要复制相同的电极，通过表面质量来统一区分粗加工和精加工的电极。一致性好的 电极会减少放电加工的时间。传统铣削的电极需手工抛光，一致性差，且手工抛光后的电极总带有尖角，而尖端放电会影响电加工的质量。高速铣削的电极无需人工 抛光，粗加工和精加工电极之间的几近完美的一致性会优化放电加工的效率。同时，由于高速铣削可加工薄壁，因而可以加工带肋的整体电极，这就消除了传统铣削 中多次装夹产生的位置累积误差，相应地节省了时间并提高了质量。

表 传统加工与高速加工的效果对比
加工方式—总工序数—总时间（h）—型槽加工（h）—加工精度（mm）—表面粗糙度
传统加工—22—256—179—±0.2～±0.5—Ra1.6
高速加工—17—120—44—±0.10—Ra0.4

（2）模具的粗加工和半精加工
由于高速铣削可以在淬硬钢上直接加工，理论上它可以直接铣削出模具。但当模具型腔有特殊要求时，还需要电加工的配合。因此，可以在材料热处理后，利用高速铣床进行模具型腔的粗加工和半精加工，而留下较小的余量，由电加工来完成模具最后的精加工。

（3）直接加工完成淬硬钢模具

这种方式是模具加工中高速铣削优势的最大体现。以东风汽车有限公司商用车锻造厂运用米克朗的高速铣加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工 →仿形铣粗加工型槽→热处理→外形精加工→数控电火花粗、精加工型槽→钳工打磨抛光型槽→表面强化处理。而采用高速加工后的工序为：外形粗加工→热处理→ 外形精加工→高速铣加工型槽→表面强化处理。利用高速铣削直接加工完成淬硬钢模具具有明显的加工优势，它使总加工成本从传统加工的27000多元降到 22000元。
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陶瓷刀具以其固有的特性，正得到越来越广泛的应用。目前国内厂家多利用其良好的红硬件、高的耐磨性进行高速车削，以提高加工生产率和工件表面质量并取得一定成效。我们结合工厂加工产品情况，经多次试验将陶瓷刀具应用于硬材料的铣削加工上，取得了令人满意的结果。
1 加工工件的工艺分析
加工图1所示工件(垫板)，材料5CrMnMo，技术要求：调质处理硬度 230～290HB；淬火硬度45～50HRC，最高达53HRC；周边各倒角3×45。该工件的整体尺寸1100mm×1025mm以及4个孔之间的距 离800mm×765mm要求不高，4个侧面的粗糙度为12.5µm易达到。关键工序为如何保证上下两垫板面的平行度0.05mm的要求。在具有高硬度 45～50HRC的大平面上，加工此类工件的传统方法是互为基准多次磨削，这不仅加工时间长、成本高，且由于在加工过程中砂轮本体的磨损，导致加工工件表 面很难保持高平行度，有时还需多次调整砂轮，技术要求高同时废品率也高。

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图1 垫板


1
图2 刀片


为解决上述难点，运用目前金属加工中最耐磨的陶瓷刀具来进行试验。初次将陶瓷刀具装在铣刀盘上加工时，发现刀片本体易损坏，究其原因主要是由于在断续切削 过程中，刀片和工件接触面积过多，加工中产生的热量致使刀片过热，强度降低从而发生断裂破损。为此采取以下措施：①对陶瓷刀片(16mm×16mm× 8mm)进行修磨，磨出碰撞缓冲区域(图2)；②在加工过程中采用大走刀，可以缩小加工时间，减少刀具磨损，从而保证加工质量。
2 切削过程及结果
将修磨合格的陶瓷刀片装在自制的200mm铣刀盘上，在3m龙门铣床上进行铣削加工，分以下几步：①将定位面用铣刀铣削平整，以减少加工的系统误差；②粗 铣：装两把陶瓷刀片，分别铣两面，选切削用量为：ap＝2mm，vf＝41.5mm/min，v＝125.66m/min；③半精铣：为减少误差，装一把 陶瓷刀片，选切削用量为：ap＝0.2mm，vf＝41.5mm/min，v＝125.66m/min；④精铣：装一把陶瓷刀片，分别铣两面。选切削用量 为：ap＝0.2mm，vf＝295mm/min，v＝251.33m/min。

铣削时，切屑呈薄灰状并伴有大量火花，刀子发出轻微响声，经测量达到其平行度要求，粗糙度Ra值为1.6µm，生产率比磨削提高近30倍，开辟了陶瓷刀具新的运用领域。
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2007/2/15/10:25 来源：《工具技术》 作者：哈尔滨理工大学 宁世有 李振加 程耀南 王玉斌 赵
1 引言

粘结破损在刀具的破损中占有重要的比例。特别是在重型、断续切削耐热钢及高温合金时，刀具的粘结破损更为严重。本文主要以3Cr-1Mo-1/4V耐热钢 作为主要研究对象，这是一种最新研制的大型化工容器壳体材料。3Cr-1Mo-1/4V钢的切削加工比不锈钢加工还要困难，在加工时刀—屑间的粘结十分严 重。前刀面刀—屑接触区内最高温度及温度场是确定刀具是否产生粘结的主要依据，铣削温度对于研究粘接破损具有重要作用。因此测量铣削温度、研究温度场及表 面受热密度函数，可为研究铣刀片的粘接破损机理及槽型优化技术提供重要的数据和理论依据。
本文从试验出发，研究铣削3Cr-1Mo-1/4V钢过程中铣削温度的瞬时变化规律；还分别对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片进行了铣削温度对比试验研究。
2 铣削温度测量系统
为研究不同槽型铣刀片受热密度函数及温度场数学模型，采用人工热电偶法来测量刀—屑接触面的铣削温度。

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图1 测量温度系统的原理图
人工热电偶法的基本原理是热电偶的热端焊接在刀片预定要测量温度的位置上，通过信号传输系统和动态数据采集系统，就可以测得焊接点上的温度变化。铣床和铣 刀运动属于旋转系统，传统的方法是在信号采集线路中引入集流环，实现旋转系统的信息采集和传输，但要准确地测出切削区的瞬态温度值还存在着一些问题，因为 人工热电偶的电讯号极其微弱，集流环在进行讯号的传输过程中，噪声引起的误差可能使测量值失真，且集流坏的固定也不方便。为此，本试验设计开发了旋转系统 信号处理和传输部件—转轴信号变送器(已获实用新型专利)。切削时，转轴信号变送器随主轴一起旋转，其输入端与热电偶的两极相连，输出端与电刷接触。该变 送器具有体积小、易拆装、便于操作的优点，不仅具有传统集流环的使用性能，而且抗干扰能力强。铣削温度测量系统如图1 所示。
3 铣削温度试验系统软硬件配备
为研究切削用量和不同刀片槽型对铣刀片切削性能的影响，分别采用两种槽型刀片切削3Cr-1Mo-1/4V钢，运用人工热电偶，通过A/D转换和动态数据 采集与处理系统对切削温度进行信号采集与处理。根据试验的需要，在试验前应做好铣刀片测温孔、热电偶的制备及数据采集系统的参数设置等工作，以确保试验顺 利进行。

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图2 刀片上测温点的分布

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图3 热电偶的安装方法
1. 铣刀片测温孔的获得
根据试验要求选择测量点的坐标如图2 所示，各测温点的坐标分别为1(2，2)，2(2，3.5)，3(2，5)，4(3.5，2)，5(3.5，3.5)，6(3.5，5)。
在刀片底面接近刀尖处，沿平行于刀片后刀面的方向按上述坐标点，用电火花从刀片底部打出盲孔，孔径为1 .5mm，孔深约为4mm。要求打孔一次成形，孔深最大值应比刀片厚度小0 .5mm。
2. 温度传感器的组装
本试验所采用的测温传感器为K 型标准热电偶，它的正极为镍铬合金导线，负极为镍硅合金导线。热电偶的测量端采用绞状点焊形成，焊接时用电源电压为220V 交流电，通过石墨电极产生电弧熔解热电偶的两极。利用电容放电原理将热电偶的热端焊接到刀片测温孔底部。在确保热电偶两极之间以及每一极与孔壁之间绝缘 后，用环氧树脂填充固定测温孔。热电偶在刀片上的安装方法如图3 所示。
3. 动态数据采集系统及其参数设置
试验数据的采集使用北京惯性技术研究所FAS-4DEE-2 动态数据采集与处理系统。该系统是测力仪的配套软件，基于Windows 平台，采用标准Windows 应用程序界面。预先设置系统选项，将采集模式设为“非测力仪模式”，显示模式设为“电压”，采集频率设为2Hz，即每0.5s 采集一个点。系统的采集频率越低，系统受到的干扰越小，试验数据更精确，误差也越小。

4 铣削温度试验

1. 试验条件及方法
1. 试验条件 工件尺寸：220mm×190mm×120mm；材料：3Cr-1Mo-1/4V钢；使用规格为16mm×16mm 的方形可转位铣刀片，分别为传统的平前刀面铣刀片和哈尔滨理工大学自行开发的波形刃铣刀片，其几何参数和材质见表1。
本试验在X5030A 型立式升降台铣床上进行，面铣刀直径为160mm。
表1 刀片几何参数和材质 刀片种类 前角 后角 刃倾角 牌号
波形刃铣刀片 8° 7° +15°～-15° YT535
平前刀面铣刀片 0° 7° 0° YT540
表2 试验切削参数 切削速度(m/ min) 进给量(mm/ min) 背吃刀量(mm)
27.646，40.212，55.292 19，36，68 1，1.5，2，2.5，3
2. 试验方法 试验用切削用量如表2 所示。
为了获得足够多的数据点，同时尽量减少试验次数，在试验中采用单因素法选择试验参数组合，共进行了三组试验：第一组取切削速度vc= 55.292m/min为定值，分别变化进给量、背吃刀量和刀片槽形；第二组取进给量vf=36mm/min为定值，分别变化切削速度、背吃刀量和刀片槽 形；第三组取背吃刀量ap=2mm为定值，分别变化切削速度、进给量和刀片槽形进行铣削温度试验。

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图4 切削区的瞬态温度变化图
2. 试验结果
铣削时，由于切削与空冷的交替变化，刀具表面上的温度发生周期性变化，在刀具切入工件时，在刀—屑接触面上产生高温，并向刀具体内传递，产生很大的温度梯 度；当刀具切出工件时受冷却，刀—屑接触区骤然降温，刀体内温度重新分布，至再次切入时，温度又骤升。由计算机采集到的铣削温度值也证实了这一点。选择试 验参数为vc=55.292m/ min、ap=2mm、vf=36mm/min 的一组数据为例，动态数据采集与处理系统采集到的温度曲线如图4 所示，其中横坐标为切削时间，纵坐标为经过放大以后的温差电动势。

5 试验数据处理与分析
动态数据采集系统采集到的数据是铣削过程中测温点各个瞬间的温差电动势，它的大小受温度测量系统本身及外界环境的影响很大，而且采集系统所显示的温差电势 变化曲线也不是一个切削周期内的连续曲线；另外，利用人工热电偶法所得到的测温点温度并不是前刀面上的温度，热电偶的冷端温度也不是0℃。为了获得前刀面 刀—屑接触区上的真实温度，探索该温度与对应切削时刻的内在联系，建立实验方程，必须依据数学手段对原始试验数据进行必要的处理，从众多数据中提取需要的 数据，为我所用。在这里仍以切削试验参数为vc=55.292m/min、vf=36mm/ min、ap=2mm 的一组数据为例说明处理的方法和步骤。

1. 切削周期的计算
已知刀盘直径d0、工件宽度ae和主轴转速n(rpm)，则切入时间ti为
ti=arcsin( ae ) 1

d0 3n
(1)
刀盘的旋转周期为T=60/n，那么切出时间to为
to= 1 (180°-arcsin ae )

3n d0
(2)
将n、ae、d0分别代入上面的公式，就可以得到不同切削条件下的切入切出时间。对于标准切削条件为：vc=55.292m/min，ae=120mm， d0=160mm，则对应的切入切出时间为ti=0.1472s，to=0.3983s，刀盘的旋转周期T=0.5455s。
2. 时刻转换
由于动态数据采集与处理系统采集到的点不在一个切削周期内，需要将这些点都转化到一个周期内。切削达到稳态时，其数值是呈周期性变化的，因此只要模拟出一个周期内的温度—时间曲线，就可以代表整个切削过程中的温度变化。
选择波形刃铣刀片上第1 个测温点说明转换过程：取切削达到稳态后的某一个切出时刻作为时刻转换参考点，此处取为23s，则切入时刻为23s-ti=22.8528s；取 22.8528s 为自定义时刻的0时刻，则刀具在工件上进行切削的时间段为：22.8528s+nT～23s+nT(n为非负整数)；但是，由于信号采集周期是0.5s， 采集时刻为0s、0.5s、1s，因此只有采集时刻恰好在切削时间段内才有意义。为此，需要计算出在切削时间段内的采集点所对应的时刻。编制C ++ Builder 程序以进行这一步运算(由于篇幅所限，原程序省略)。可视化控件ListBox1的输出结果S1～S2就是在切削时间段内的点。根据该输出结果判断采集到 的点是否在切削时间段内。例如：在49.5000～49.6472s内，有一点进行了采集(49.5s)；而在50.0455～50.1927s 时间段内，并没有进行采集。
3. 周期转换
通过时刻转换，从采集曲线中提取到适合的时刻后，需要将其转换为一个周期内的时刻，以方便计算。切削达到稳态后，切削温度的变化可以看作一个周期函数，其 周期就是刀具的旋转周期。因而可以将所有的点都转换到一个周期内(由于篇幅所限，计算周期转换的C ++ Builder 程序省略)。程序中字符串S1所对应的值为采集点的时刻，S2所对应的值为转换到一个周期内的时刻。
4. 热电偶的冷端温度补偿
热电偶的热电势的大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能反映热端温度大小。各种热电偶的分度表是在冷端温 度为0℃的情况下得到的。而本实验所采用测温热电偶的冷端放置在大气中，其温度并非0℃，而是接近环境温度，因此不能直接用测得的热电势E(q，q0)去 查分度表得到q。为了消除冷端温度变化对测量的影响，笔者采用计算法实现冷端温度补偿，其计算公式为：
E(q，0)= E(q，q0)+ E(q0，0) (3)
式中，E(q，0)为冷端温度为0℃而热端为q℃时的热电势，E(q，q0)为冷端温度为q0℃而热端为q℃时的热电势(即实测值)，E(q0，0)为冷 端温度为q0℃时的应加校正值，它相当于同一支热电偶在冷端为0℃，热端温度为q0℃时的热电势，该值可以从热电偶分度表中查得。
然后用E(q，0)从分度表中查得温度q，q 就是通过计算补偿了冷端温度不在0℃所产生的热电势变化后得到的热端温度。
5. 温度转换
用人工热电偶法只能测出距前刀面有一定距离的某点处的温度，而不能直接测出前刀面的温度。因此需要借助传热学计算前刀面上的温度。当切削达到稳定状态后， 通过刀片基面法线方向的各个截面的热流量近似相等，且测量孔底部到前刀面的距离与刀片宽度相比，相对较小，因此可以按照一维稳态导热来简化计算前刀面上的 温度。设测量孔深度为d2，测量孔底部到前刀面的距离为d1，测量点温度为q1，刀片底面温度为q2，则前刀面上对应点的温度q 通过传热学公式计算为
q=d1d2(q1 -q2)+q1 (4)

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图5 波形刃铣刀片六个测温点的T-t曲线


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图6 刀—屑接触区平均温度—时间曲线
6. 曲线拟合及试验结果分析
经过上述几步转换后，从试验原始曲线上获得了有限个数据点，但它们具有很大的离散性，直接分析很难寻找出内在的规律性，还需要经过排序和曲线拟合处理，从而得出铣削温度在一个切削周期内随时间变化的实验方程。
获取整切削周期内的有限个采集时刻后，首先要按从小到大的顺序排列，然后从原始实验曲线上读出对应时刻的热电势，转换为前刀面上的温度，得出温度—时间 (T-t)序列，进而利用MATLAB 软件拟合出T-t方程式，经编程计算得第1点的T-t方程式如下：
T=-37440t4+49693t3-22333t2+3495t+351
其余各点的T-t曲线拟合过程与第1点相同，可以把每种刀片6个测温点的曲线利用Matlab绘图功能在一个窗口显示出来，以更好地观察各个点的温度变化趋势，并进行对比。图5 为最终得到的波形刃铣刀片6个点的温度—时间曲线。
同理，可以拟合出波形刃和平前刀面铣刀片前刀面刀—屑接触区平均温度与时间的试验方程式，分别为式(5)和式(6)，相应的图形显示见图6。
TW=-19657t4+26587t3-12336t2+2021t+341 (5)
Tf=-10906t4+16357t3-8678t2+1650t+382 (6)
如图5 所示，各点切削温度变化规律符合切削理论及传热学理论，说明切削温度测试系统(含数据采集及处理系统)性能良好。
从图6 可以看出，从抗粘结破损性能出发，波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。

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图7 系统功能模块结构图
6 实验数据处理应用软件的编制
通过前面的数据处理手段，我们就可以得到铣削温度与时间的响应函数关系，但是从试验获得的数据量是相当庞大的，而对于其中的每一组试验值都需要经过上述处 理才能获得所期望的结果。整个过程重复性的输入太多，过程中的数据衔接也都为手工计算，不仅费时费力，计算精度也不容易保证。为了计算准确及时，减轻劳动 强度，提高工作效率，结合工作实际利用面向对象的可视化编程语言C ++ Builder 开发了一套数据处理软件—铣削温度试验数据处理系统。系统主要功能模块如图7 所示。
程序编制过程中充分发挥了C ++ Builder 的GUI 编程功能，采用了面向对象的编程技术、事件驱动的编程机制，使该系统不仅具有友好的用户操作界面，而且兼备完善的功能。应用此系统，只需输入特定的参数就 可以自动完成从实验数据处理到铣刀片刀体温度和受热密度函数数值计算的全部过程，大大缩短了数据处理的周期与时间。
7 结语

1. 测试的各点温度变化规律符合切削理论及传热学理论，说明切削温度测试系统(含数据采集及处理系统)性能良好。
2. 从抗粘结破损性能出发，波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。
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电路板数控铣床的铣技术包括选择走刀方向、补偿方法、定位方法、框架的结构、下刀点。都是保证铣加工精度的重要方面。
走刀方向、补偿方法
当铣刀切入板材时，有一个被切削面总是迎着铣刀的切削刃，而另一面总是逆着铣刀的切削刃。前者，被加工面光洁，尺寸精度高。主轴总是顺时针方向转动。所以 不论是主轴固定工作台运动或是工作台固定主轴运动的数控铣床，在铣印制板的外部轮廓时，要采用逆时针方向走刀。这就是通常所说的逆铣。而在线路板内部铣框 或槽时采用顺铣方式。铣板补偿是在铣板时机床自动安照设定值让铣刀自动以铣切线路的中心偏移所设定的铣刀直径的一半，即半径距离，使铣切的外形与程序设定 保持一致。同时如机床有补偿的功能必需注意补偿的方向和使用程序的命令，如使用补偿命令错误会使线路板的外形多或少了相当于铣刀直径的长度和宽度的尺寸。
定位方法和下刀点
定位方法可分为两种；一是内定位，二是外定位。定位对于工艺制定人员也十分重要，一般在线路板前期制作时就应确定定位的方案。

内定位是通用的方法。所谓内定位是选择印制板内的安装孔，插拨孔或其它非金属化孔作为定位孔。孔的相对位置力求在对角线上并尽可能挑选大直径的孔。不能使 用金属化孔。因为孔内镀层厚度的差异会影响你所选定位孔的一致性，同时在取板时很容易造成孔内和孔表面边缘的镀层损坏，在保证印制板定位的条件下，销钉数 量愈少愈好。一般小的板使用2枚销钉，大板使用3枚销钉，其优点是定位准确，板外形变形小精确度高外形好，铣切速度快。其缺点板内各种孔径种类多需备齐各 种直径的销钉，如板内没有可用的定位孔，在先期制作时需要与客户商讨在板内加定位孔较，较为烦琐。同时每一种板的铣板模板不同管理较为麻烦，费用较高。

外定位是另一种定位方法，是采用在板子外部加定位孔作为铣板的定位孔。其优点是便于管理，如果先期制作规范好的话，铣板模板一般在十五种左右。由于使用外 定位所以不能一次将板铣切下来，否则线路板十分容易损坏，特别是拼板，因铣刀和吸尘装置会将板子带出造成线路板损坏和铣刀折断。而采用分段铣切留结合点的 方法，先铣板当铣板完了以后程序暂停然后将板用胶带固定，执行程序的第二段，使用3mm至4mm的钻头将结合点钻掉。其优点是模板少费用小易于管理，可铣 切所有板内无安装孔和定位孔的线路板，小工艺人员管理方便，特别是CAM等先期制作人员的制作可简单化，同时可优化基材的利用率。缺点是由于使用钻头，线 路板外形留有至少2－3个凸起点不美观，可能不符合客户要求，铣切时间长，工人劳动强度稍大。
框架及下刀点
框架的制作是属于线路板先期的制作，框架设计不但对电镀的均匀性等有影响，同时对铣板也有影响，如设计不好框架易变形或在铣板时产生部份小的块装的小废 块，产生的废块会堵塞吸尘管或碰断高速旋转的铣刀，框架变形特别是对外定位铣板时造成成品板变形，另外下刀点和加工顺序选择的好，能使框架保持最大的强度 最快的速度。选择的不好，框架容易变形而使印制板报废。
铣的工艺参数
用硬质合金铣刀铣印制板外形，铣刀的切削速度一般为180～270m/min。计算公式如下(仅供参考)：
S=pdn/1000(m/min)
式中：d：铣刀直径，mm
n；铣刀转速，r/min
与切削速度相匹配的是进给速度。若进给速度太低，由于磨擦热使印制板材料软化甚至溶化或烧焦，堵塞铣刀的排屑槽，切削无法进行。如果进给太快，铣刀磨损 快，承受的径向负荷大，让刀量大，工作质量差，尺寸不一致。如何判断进给的快慢呢？要考虑下述诸项：印制板材料，厚度，每叠块数，铁刀直径、排屑槽。
一般可根据刀具供应商提供的技术资料设定，由于刀具的材料质量品牌和制造工艺的区别，不同厂商的刀具工艺参数有区别。

只有低于额定负载，主轴马达的转速才能保持。负载增大，转速下降，直至铣刀折断。铣板时产生断刀问题一般有这几种情况造成此结果：一：是主轴马达功率不 足，需要维修更换。二：是每叠板数太多，切削负荷太大或铣切长度超过了铣刀的有效长度。三：铣刀质量问题。四：转速和进刀速度设置问题。五：转轴的钻夹头 夹持力下降，吃负载时达不到所要求的转速。六：转轴旋转时同心度有问题产生跳动。七：程序的设计有问题，如使用了错误的命令。

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2007年1月15日 11:17 来源：《航空精密制造技术》 作者：满忠雷 何宁 武凯 李亮 姜澄宇
钛合金的切屑变形研究起始于二十世纪五十年代， 许多国外的著名学者如M.C.Shaw，N.H.Cook，O.W.Boston， M.E.Merchant， M.Field， R.Komanduri，H.Schulz 等人都做了大量的研究工作；国内的一些高校和科研院所如西北工业大学、南京航空航天大学等也从事了相关的研究。

目前，关于切屑变形的研究多集中在变化切削参数、刀具材料、刀具几何尺寸等方面，特别是对低速切削状态下的切屑变形规律的研究比较多。对于变化切削介质特 别是采用干切削或无污染、少污染的切削介质时的切屑变形的高速切削试验研究还很少。另外，关于切削变形规律的研究，以车削居多，而高速铣削方面的研究比较 少。本文重点对干铣削、空气油雾和氮气油雾介质下高速铣削钛合金时的切屑变形规律进行试验研究。

1
图1 试验用刀片及铣削示意图
表1 铣削参数 切削参数 参数取值
铣削速度vc(m/min) 190 250 275 300
轴向切深ap(mm) 5 7
径向切深ae(mm) 1
每齿进给fz(mm/r) 0.1
刀具悬长L(mm) 46

1
(ap=7mm，vc=250m/min，rs=1.6mm)
图2 不同介质下的切屑状态

1
(ap(ap=5mm，rs=0mm)
图3 空气油雾时不同铣削速度下的切屑形态
1 试验方案
钛合金高速铣削的切屑变形试验所用刀具和刀片如图1所示。刀片为K40硬质合金刀片。刀具有关几何参数如下：直径25mm，齿数2；刀尖圆弧半径rs： 0mm 和1.6mm，前角：25°，后角：30°，主偏角：90°，修光刃长度：1.2mm，切削刃长度15mm。采用顺铣的方式，分别在干铣削、空气油雾和氮 气油雾介质下开展高速铣削试验，分析研究铣削速度、铣削介质对钛合金切屑变形的影响。铣削参数见表1。
2 试验结果分析

1. 切屑变形的宏观分析
1. 不同介质下的切屑形态
不同介质下高速铣削钛合金时，由于刀具与切屑之间的摩擦状况和散热条件不同，切屑的形状和表面状况也有一定差异，如图2所示。与干铣削相比，刀具与切屑之 间的摩擦较大，铣削区温度高，切屑流经前刀面后的变形较大，切屑表面的条形褶皱较多、平整性差。
2. 不同铣削速度下的切屑形态
钛合金的高速铣削试验中， 在不同的铣削速度的情况下所产生的切屑形态来分析是有很大的区别的，因此铣削速度对切屑宏观形态的影响较大，图3即为在不同的铣削速度下的切屑照片。
从上图的分析可以得出随着铣削速度的增加，切屑的形态越来越规则， 尤其是当铣削速度达到300m/mim 时，经过计算和测量，切屑的长宽和理论值很接近(钛合金的变形系数很小几乎等于1，甚至小于1)。产生不规则切屑的原因主要是速度越低，切屑和刀具接触的 时间越长， 切屑和刀具之间摩擦时间就较长， 因而速度较低时切屑的变形就比较明显， 而速度越高时，切屑受到刀具摩擦的时间就越短，切屑的变形就越不明显；另外随着铣削速度的增大，铣削温度会逐渐升高，摩擦系数下降，切屑受到的摩擦力越 小，因而切屑的变形就越小。
通过试验，发现不同速度下高速铣削钛合金时，干铣削和氮气油雾介质时的切屑形貌也有相同的规律，在此不再分析。

1
(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)
图4 不同切削介质下切屑局部正面SEM 照片

1
(ap(ap=5mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)
图5 氮气油雾介质下切屑裂纹区的SEM照片

1
(ap(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)
图6 不同介质下切屑的金相照片
2. 切屑变形的微观分析
从图4可以看出， 不同介质下切屑的表面微观形态也有不同，在氮气油雾介质下的切屑上存在着一些微裂纹(图4(c))，这些微裂纹主要分布在切屑的边缘和端部， 微裂纹大多与切屑沿前刀面的滑移方向相同(图5 的Ⅰ区)，少部分微裂纹与切屑滑移方向垂直(图5 的Ⅱ区)。氮气油雾介质下切屑产生微裂纹的原因可能是：一、氮气油雾喷射到切削区，瞬间带走了大量的热量，使切屑产生热应力和热裂纹；二、氮气油雾中氮与 切屑中的钛发生化学反应，生成较脆的氮化钛，这些氮化钛分布在切屑表面和内部，使切屑在强烈的挤压和摩擦下易于脆裂。
由于空气油雾也在切削中带走大量的热量，但其切屑不存在微裂纹(图4(a))，所以第一种可能性是不成立的， 因此可以认为微裂纹是由于氮的存在造成的。切屑易于脆裂，就会减少切屑流经前刀面时对铣刀的冲击，从而在一定程度上减少铣削力。
3. 切屑的金相分析
1. 金相照片的对比
钛合金切屑在形成过程中， 材料的塑性变性较大， 由此而产生的加工硬化时切屑在剪切滑移面的应力增加，局部达到了材料的强度极限，此时，切屑只在上部被挤裂而下部仍旧相连， 亦即靠近前刀面的一面很光滑，另一面呈锯齿状，形成集中剪切滑移切屑。
图6显示出， 氮气油雾下切屑的节状化趋势非常明显，切屑底部的连接已变得很少，有时切屑节与节之间近乎分离。空气油雾下切屑的节状化趋势虽然比干铣削时明显，但不如氮气油雾。
造成氮气油雾和空气油雾下切屑节状化比干铣削明显的原因， 是因为油雾的冷却作用使切屑剪切滑移面的钛合金塑性降低，切屑易于在沿滑移面处剪裂。氮气油雾下由于氮与钛在剪切滑移面上生成了脆的TiN，在高速下，高 的剪切力使切屑的集中剪切滑移作用加强，从而使切屑的节状特征更加突出。

1
图7 铣削速度对剪切角的影响(r=1.6)
2. 剪切角f的比较
图7为剪切角f随速度变化的曲线。该图表明，随着铣削速度的增加，空气油雾、氮气油雾和干铣削条件的钛合金切屑剪切角都有增加的趋势，也即切屑变形减小的 趋势， 特别是铣削速度超过275m/min 时，这种趋势更加明显。产生这种结果的主要原因有两方面，一方面是因为变形时间缩短，钛合金的变形减小；另一方面是因为切屑速度对前刀面平均摩擦系数有影 响， 高速切削时，切削速度越大，前刀面平均摩擦系数越小。当切削速度很大时，由于切削温度很高，切屑底层软化，形成薄薄的微溶层，在这种情况下，切削速度的变 化对切屑变形的影响已很小。
此外，在相同速度下，氮气油雾下切屑的剪切角大于空气油雾。其原因是由于氮气介质下的切屑的剪切滑移面上有氮化钛存在， 剪切滑移面的塑性降低， 切屑在集中剪切滑移过程中更容易发生塑性失稳，因而切屑的变形减少，剪切角f减小。

3 结论
通过不同介质下钛合金切屑变形的高速铣削试验研究，可以得出以下几点结论：

1. 干铣削时，刀具与切屑之间的摩擦较大，铣削区温度高，切屑流经前刀面后的变形较大，切屑表面的条形褶皱较多、平整性差。
2. 随着铣削速度的增加，切屑的形态越来越规则。
3. 不同介质下切屑的表面微观形态也有不同，空气油雾下切屑的节状化比和干铣削时明显， 但不如氮气油雾。在氮气油雾介质下的切屑上存在着较多微裂纹、切屑更容易脆断。
4. 在相同速度下， 氮气油雾和空气油雾下的切屑剪切角f大于干铣削和空气油雾，即切屑变形系数低于干铣削和空气油雾，空气油雾剪切角f大于干铣削。
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1 引言
目前，绿色切削主要是指干式切削和准干式切削。干式切削的应用范围目前还比较有限，而完全湿加工又有诸多不足。若将两者的优点相互结合，既可满足加工要 求，又可将干式切削的费用降低至最低，并可取得与完全干式加工相同的效果。将这种介于湿式切削与干式切削之间的加工技术称为准干式切削(Near Dry Machining-NDM)加工或最少切削液加工(Minimal Quantities of Lubricant-MQL)。目前完全干式切削加工更多地用于铸铁材料的高速加工中，最近几年，欧洲几家公司用干切削高速加工灰口铸铁件取得很大成功。 但从目前的文献来看，完全干式切削应用于钛合金高速铣削中还未见先例。准干式切削主要用于铸铁材料、钢和铝合金的加工中，对于难加工材料的准干式切削研究 较少。

一些日本公司在喷氮切削技术发展中做了大量的工作，开发了直接从空气中分离氮气的氮气制气装置并与机床相配，应用结果表明，以氮气作切削介质替代切削液， 最大的优点包括：(1)克服了切削液造成的环境污染问题； (2)刀具磨损比干切削大大降低；(3)加工精度高，表面粗糙度稳定；(4)减轻摩擦，降低切削负荷；(5)安全加工镁合金(镁粉遇水会发生燃、爆等安全 问题)；(6)使用成本低于切削液。

现将在干铣削、氮气油雾和空气油雾介质下开展钛合金高速铣削力的试验研究，本文即探索上述条件下铣削力的变化规律。

1
图1 立铣刀结构图和铣削示意图
2 试验方案
刀具选用Walter硬质合金镶齿立铣刀，牌号为ZDGT150416R-K85 WMG40，未涂层，直径25mm，刀尖圆角半径r=1.6mm，两齿，见图1。分别在干铣削、空气油雾和氮气油雾介质下开展高速铣削铁合金TC4的单因数铣削力试验研究。
3试验结果分析

1. 径向切深ae变化对枕削力的影响
试验参数：vc=190m/min,ap=5mm,fz=0.1mm/z，分别测量ae=0.5,1,2,3,4,5mm时的铣削力，试验结果见图2。

1
(a)x方向最大铣削分力


1
(b)y方向最大铣削分力

1
(c)z方向最大铣削分力


1
(d)最大铣削合力
图2 不同介质下铣削力随ae变化的曲线
从图2中可以看出：三种介质下的Fxmax,Fymax,Fzmax，和Fmax都随久增大而增大，其增大趋势基本呈线性关系，原因是随着径向切深的增 大，刀具和工件间的铣削包角增大，使刀具的铣削面积增大，从而刀具和工件间的摩擦力增大，所以导致Fymax：增大；试验中采用的是刀片铣削，刀具的螺旋 角为0°,因此随着径向切深ae的增大，x向和z向的最大的铣削力变化并不是很明显，这和理论上的分析是相符合的。对曲线分别进行线性和指数拟合，其相关 系数R2都在0.91以上。
图2(a)表明三种铣削介质下的Fxmax随ae增加的趋势基本相同，但幅度都不太明显，干铣削的Fxmax稍大于空气油雾和氮气油雾。从图2(b)、 (c)、(d)可以看出Fymax、Fzmax和Fmax随ae增加的幅度较大，不同介质下的变化曲线相似；空气油雾和氮气油雾下的Fymax、 Fzmax和Fmax都比干铣削小，其中干铣削的铣削合力比空气油雾分别大了22.2%、15.07%、25.75%、5.98%、8.3%和 5.45%，比氮气油雾大18.3%、16.6%、27.5%、15.96%、8.38%和7.92%。另外，空气油雾和氮气油雾下的铣削力大致相同。
2. 轴向切深ap变化对铣削力的影响
试验参数：vc=190m/min,ae=1mm，fz=0.1mm/z，分别测量ap=1,2,3,4,5mm时的铣削力，试验结果见图3。

1
(a)x方向最大铣削分力


1
(b)y方向最大铣削分力

1
(c)z方向最大铣削分力


1
(d)最大铣削合力
图3 不同介质下铣削力随ap变化的曲线
从图3可以看出：三种介质下的Fxmax，Fymax，Fzmax，和Fmax都随ap增大而增大，其增大趋势基本相同。对曲线分别进行线性和指数拟合， 发现其指数拟合的相关系数较高( R2≥0.93)。干铣削时铣削分力和合力均大于空气油雾和氮气油雾，结果与前节相似。
当ap大于5mm时铣削力增大加剧，可能是因为ap增大后，铣削力随之增大，铣削过程中刀具系统刚性降低，铣刀容易产生振动造成的。
3. 每齿进给fz变化对铣削力的影响
试验参数：vc=190m/min，ae=1mm，ap=5mm，分别测量fz=0.5,0.1,0.15,02,0.25mm/z时的铣削力，试验结果见图4。

1
(a)x方向最大铣削分力


1
(b)y方向最大铣削分力

1
(c)z方向最大铣削分力


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(d)最大铣削合力
图4 不同介质下铣削力随fz变化的曲线
从图4中可以看出：三种介质下的Fxmax，Fymax，Fzmax，和Fmax都随fz增大而增大，对曲线分别进行线性和指数拟合，发现两种拟和的相关 系数R2大致相同，并且R2较高，这与低速铣削时的理论不同。在低速时，随fz的增加，各向铣削力总体呈增大趋势，但铣削力的增加并不随进给量的增加成比 例增加。因为进给量增大，切削厚度增大，所以切削面积增大，力会随之增大，但切削厚度增大的同时使变形系数减少，摩擦系数也降低，所以力的增加与进给量的 增大并不成比例。高速时，由于铣削区的温度远远高于低速时，铣刀前刀面上的切屑和与铣刀后刀面相接触的已加工表面塑性非常高，因此切削厚度增大使变形系数 减少的程度非常低，摩擦系数也降低的很小，所以力的增加与进给量的增大基本成比例。
从图4(d)可以看出，随着每齿进给(fz≥0.1mm/z)增大，氮气油雾下的铣削合力明显低于空气油雾。据国外的研究资料显示，在高进给下，铣削热增 多，氮气下刀具与切屑以及工件之间更容易产生TiN层，因为TiN具有减摩作用，所以在铣削时，由于摩擦作用所产生的铣削力会减少。
4. 铣削速度vc变化时铣削力的影响
试验参数：aae=1mm，ap=1mm，fz=0.1mm/z，分别测量vc=190，250，275和300m/min时的铣削力，试验结果见图5。

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(a)x方向最大铣削分力


1
(b)y方向最大铣削分力

1
(c)z方向最大铣削分力


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(d)最大铣削合力
图5 不同介质下铣削力随vc变化的曲线
图5表明 ：三种介质下的Fxmax，Fymax，Fzmax，和Fmax都随vc增大而增大，波动不大，这与传统的切削理论不同。传统的切削理论认为，切削力一般 随着切削速度的增加而减少，这主要是因为，vc增大，将使切削温度提高，摩擦系数µ下降，从而使变形系数x减小的原因。对于高速切削时切削力随切削速度变 化的规律，国外一些学者也曾做过相关的实验研究。Amdt认为超高速切削时由于高频冲击力的存在，切削力的变化是传统切削力和高频冲击力双重作用的结果， Kusnetsov和Sutter在高速干铣削铝合金AA7075和合金钢AISI1045时，根据试验结果，他们得出了在高速铣削中也存在高频冲击力的 结论，该结论与Amdt的理论相吻合。
高速铣削钛合金时，速度的增加虽然也会使x减小，但铣削是断续切削，因冲击而产生的力在整个铣削力中占有相当大的比重，速度越高，冲击越大。高速冲击产生 的铣削力增加，远大于因变形系数x减小而造成的铣削力减少，因此在高速铣削钛合金时，铣削力会随vc增大而增加。
从图5(a)和(d)可以看出，Fxmax和Fmax的变化规律与上节相似。当铣削速度超过200m/min时，空气油雾下的Fmax大于氮气油雾。特别 是当铣削速度达到300mm/min时，空气油雾下的Fmax比氮气油雾大了32%。造成这种结果的原因除了因为TiN减摩作用外，还因为在高速下氮气油 雾下切屑里的TiN增多，从而使切屑易于脆断，切屑对刀具的摩擦和冲击减少的缘故。

4 小结

1. 空气油雾和氮气油雾介质下的铣削力明显低于干铣削，在高速、高进给时氮气油雾下的铣削力低于空气油雾。
2. 铣削力在钛合金高速铣削时会随径向切深、轴向切深、每齿进给增加而增大。
3. 铣削力在钛合金高速铣削时会随铣削速度的增加而增大，这有别于铁合金低速铣削时的情况。
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高科技发展的今天，环保越来越受到人们的重视，基于技术、经济、生态三方面的平衡发展，绿色制造已经是当今谈论的主题。在机械制造领域，切削液是最大的污 染源，特别是在航空工业中，为了提高航空零部件的加工质量，经常使用大量切削液。为了实现绿色制造，人们往往将目光投向干切削，但是干切削条件下零部件的 机械性能、加工效率以及刀具寿命会受到很大的影响。在此提出用氮气为切削介质的绿色加工技术，并对该技术进行了探索研究。本文主要比较分析了干切削和以氮 气为介质的两种切削条件下，铣削钛合金时的后刀面磨损以及铣削力的情况。
1 钛合金的材料特性
由于钛合金具有比强度高、热强度好、耐蚀性高、资源丰富等一系列优点，因此在航空、航天等工业部门中的应用越来越广泛，用于制作航空发动机中的主要构件，在飞行器结构中，用于制造翼梁、隔框和接头等重要构件。基于钛合金广泛的应用，主要优点如下：

1. 比强度高：钛合金的密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。
2. 热强度好：钛合金熔点为1660℃，比铁高，具有较高的热强度，可在550℃以下工作，同时在低温下显示出较好的韧性。
3. 抗蚀性好：在550℃以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、软介质均有较高的抗蚀能力。

另一方面钛合金的切削加工性比较差。主要原因如下：

1. 导热性差，致使切削温度很高，降低了对刀具的耐用度。
2. 600℃以上温度时，表面形成氧化硬层，刀具有强烈的磨损作用。
3. 塑性低，硬度高，使剪切角度增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上的应力很大，刀刃易发生破损。
4. 弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹性大，所以加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。

钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难，导致加工效率低，刀具消耗大。
2 刀具材料的选择
钛合金的铣削比车削困难，主要的问题是切削刃区容易与钛发生粘接，刀齿易崩刃，刀具耐用度低。铣刀切削刃区域粘接的钛合金量与切削的厚度成正比，当刀齿再 次切入工件表面时，粘接的钛合金剥落，从而使刀具出现磨损区。随着粘结量的增大，磨损区也增大；严重时，甚至会使切削刃崩落，损坏铣刀。铣削钛合金的立铣 刀、圆柱铣刀、三面刃铣刀等一般用高速钢制成，成形铣刀更是如此。常用的刀具材料为：HSS-Co，其主要成分为W2Mo9Cr4VCo8；HSS- Al，其主要成分为W6Mo5Cr4V2Al：以及Carbide，其主要成分分别为YG8，YG10H，Y300等。
3 试验方案
以钛合金材料TC4(Ti-6Al-4V)为主要研究对象，试验方案如下：

1. 通过正交试验，比较在干切削条件和以氮气为介质的切削条件下铣削力的变化情况。铣削方式选择为顺铣。具体切削参数及参数值如表1所示。
2. 在干切削条件下和以氮气为介质的切削条件下，分析铣刀后刀面的磨损情况，以后刀面的磨损量0. 2mm 为判断标准。参数取值如表2所示。

表1 铣削力的正交切削试验参数 切削参数 参数取值
铣削速度v(m/min) 12 24 36 48
轴向切深ap(mm) 1 2 3 4
径向切深ae(mm) 0.5 1.0 1.5 2.0
每齿进给fz(mm/z) 0.05 0.1 0.15 0.20
刀具材料 W6Mo5Cr4V2Al
刀具直径(mm) 12

表2 磨损试验参数 切削参数 参数取值
铣削速度v(m/min) 30 40 50 60
轴向切深ap(mm) 6
径向切深ae(mm) 1
每齿进给fz(mm/z) 0.08
刀具材料 W6Mo5Cr4V2Al
刀具直径(mm) 12
以上试验用机床为Mikron UCP 710五坐标加工中心。铣削力利用Kistler三向测力仪测量，铣刀后刀面磨损量在显微镜下进行观测测量。

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图1 铣削示意图


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图2 铣削力对比图
4 铣削力及其结果分析
铣削示意图如图1所示。根据在氮气切削介质下和干切削条件下的铣削力数据，建立如图2 所示的对比图。图2中铣削力为X、Y、Z 3 个方向最大力的合成。铣削力的试验结果分析如下：

1. 从图2可以看出，在干切削和以氮气为介质两种切削条件下，随切削条件的变化，铣刀后刀面磨损量在显微镜下进行观测测力的变化趋势基本相同。
2. 在第1 组试验中，氮气介质下的铣削力要小于干切削条件下的铣削力，而后15 组试验中，氮气介质下的铣削力比干切削条件下铣削力平均大100牛顿左右。
3. 初步分析，产生上述结果的原因是在切削过程中氮气和钛生成了硬化层。氮气介质下刚开始切削时，即第1 组试验中，还没有硬化层生成，此时由于氮气的冷却润滑作用，切削力偏小；从第2 组试验开始，已经有硬化层生成，之后试验中虽然仍有氮气的冷却润滑作用，但硬化层对铣削力的影响更明显，所以氮气介质下的铣削力要大于干切削条件下的铣削 力。
4. 氮气介质切削条件下，氮气气压对测力仪的冲击也是切削力增大的一个因素。经测量，氮气的气压力仅有5牛顿左右，可见，氮气气压的冲击力并不是导致氮气介质下铣削力增大的主要因素。

5 铣刀后刀面磨损及其结果分析
根据在氮气介质和干切削条件下的试验数据建立如图3至图8所示的磨损曲线图。

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图3 干铣削条件下后刀面的磨损曲线


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图4 氮气介质条件下后刀面磨捐损曲线

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图5 30m/min磨损曲线比较


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图6 40m/min 磨损曲线比较

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图7 50/min磨损曲线比较


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图8 60m/min磨损曲线比较
试验结果分析：

1. 通过对图3、图4 的分析可得出，切削速度是影响铣刀后刀面磨损的至关重要的因素，在上述两种切削介质的条件下，当切削速度增加到2倍时，其刀具寿命将各自会减小到4%左右，同时铣削的长度也急剧减少。
2. 根据图5至图8分析可知，在同样的切削条件下，以氮气为切削介质条件下的铣削长度远远超过了在干切削条件下的铣削长度。
3. 初步分析认为，氮气介质下能使刀具寿命延长的原因是其有效的冷却润滑作用使切削区温度降低，减小了刀具与工件之间的摩擦，其具体的作用机理有待进一步深入研究。同时，因为在氮气介质下切削区域没有氧气，加工表面有更高的表面完整性。

6 结论

1. 氮气介质切削条件下铣削钛合金与干切削条件下铣削钛合金相比，铣削力有增大趋势。
2. 氮气作为切削介质切削条件下，与干切削相比，刀具寿命有很大提高。
3. 氮气介质下生成的硬化层使切削力增大，并对刀具磨损有一定影响(磨料磨损)，但是氮气的冷却润滑作用大大降低了切削区温度，减小了加工表面和后刀面之间的摩擦，所以刀具寿命仍有很大提高。
4. 很高的氮气压能将切屑吹离切削区域，减小切屑对工件表面质量的影响。

氮气的价格低廉，加工成本低。用氮气作为切削介质可以消除因大量使用切削液给环境造成的污染，达到真正意义上的绿色制造。以氮气为切削介质的绿色高速加工技术，在航空领域、高速加工领域有着广阔的应用前景，特别是在难加工材料的切削加工中会起着更为重要的作用。
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