切削速度對(duì)CrN涂層刀具銑削飾面刨花板表面質(zhì)量及磨損的影響

郭曉磊，張 清 ，朱兆龍，慶振華

（1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 藍(lán)幟（南京）工具有限公司，江蘇 南京 211100；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

飾面刨花板具有表面硬度高、耐磨性強(qiáng)、花紋美觀等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于板式家具及櫥柜制造[1-5]。然而，飾面刨花板相對(duì)于木材存在著膠黏劑及表面耐磨層，增加了工件材料的硬質(zhì)點(diǎn)，普通硬質(zhì)合金刀具在切削加工過程中極易加快磨損，并且導(dǎo)致表面質(zhì)量和加工精度降低，陶瓷刀具極易斷裂失效，聚晶金剛石刀具雖然在飾面刨花板加工中效果不錯(cuò)，但是成本高[6-9]。而CrN涂層因具有硬度高、耐磨性好、制造工藝簡(jiǎn)單和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，開始逐漸應(yīng)用于木材切削加工領(lǐng)域[10-11]。

高速切削加工技術(shù)不僅顯著提高了加工效率，而且提高了加工精度和表面質(zhì)量，因此高速切削已經(jīng)成為木材切削加工技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[12-14]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)飾面刨花板進(jìn)行切削試驗(yàn)研究的切削速度為60～70 m/s，對(duì)切削速度為100 m/s以上的切削試驗(yàn)研究還鮮有報(bào)道[15-17]。

本文采用CrN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)飾面刨花板進(jìn)行低、高速銑削加工試驗(yàn)，通過對(duì)低、高速切削條件下飾面刨花板表面粗糙度測(cè)試和表面形貌進(jìn)行觀察分析，揭示高速切削對(duì)切削表面質(zhì)量的影響機(jī)理；通過對(duì)低、高速切削條件下刀具磨損形貌進(jìn)行觀察分析，揭示涂層刀具切削加工飾面刨花板時(shí)涂層磨損形態(tài)和磨損機(jī)理，以期為涂層刀具高速銑削加工飾面刨花板提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用刀具采用德國(guó)藍(lán)幟工具有限公司生產(chǎn)的裝配式銑刀，刀體為輕質(zhì)鋁合金材料，降低了銑刀重量，可將銑刀轉(zhuǎn)速提高至20 000 r/min以上，轉(zhuǎn)位刀片為CrN涂層硬質(zhì)合金。銑刀幾何特征參數(shù):直徑為160 mm，齒數(shù)為2，前角為15°，后角為25°，楔角為50°。試驗(yàn)用工件采用大亞人造板集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的三聚氰胺浸漬紙飾面刨花板，密度為0.85 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

采用意大利Paolino Bacci公司生產(chǎn)的SMART五軸加工中心進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍8 000～24 000 r/min。

就銑削參數(shù)而言，影響切削質(zhì)量和刀具磨損的主要因素為切削速度和平均切削厚度[16]，為了更好地揭示切削速度對(duì)銑削加工質(zhì)量和涂層刀具磨損的影響機(jī)制，本文以切削速度為變量，設(shè)置低、高兩種切削速度，低速為60 m/s，高速為120 m/s，將平均切削厚度設(shè)置為常數(shù)0.3 mm，銑削深度H=5 mm。

切削速度計(jì)算公式為:

式中:V為切削速度（m/s），D為銑刀切削直徑（mm），n為銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）。

每齒進(jìn)給量計(jì)算公式為:

式中:UZ為每齒進(jìn)給量（mm/Z），U為進(jìn)給速度（mm/min），n為銑刀轉(zhuǎn)速（r/min），Z為銑刀齒數(shù)。

平均切削厚度計(jì)算公式為:

式中:aav為平均切削厚度（mm），U為進(jìn)給速度（mm/min），n為銑刀轉(zhuǎn)速（r/min），Z為銑刀齒數(shù)，H為銑削深度（mm），D為銑刀切削直徑（mm）。

因本文只考察切削速度V的影響，故將銑刀平均切削厚度、銑刀直徑、銑刀齒數(shù)和銑削深度設(shè)置為常數(shù)，切削速度的調(diào)節(jié)可以通過改變銑刀轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。表1為銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

表1 銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 The milling parameters

為了評(píng)價(jià)銑削表面質(zhì)量，本文對(duì)銑削表面粗糙度和形貌進(jìn)行測(cè)試和觀察，粗糙度選用表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra作為評(píng)價(jià)參數(shù)。每組粗糙度參數(shù)測(cè)量5次，取5組測(cè)量參數(shù)的平均值。采用電子掃描顯微鏡（SEM）觀察刀具的磨損形貌, 對(duì)刀具的主要磨損機(jī)理進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 切削速度對(duì)切削表面質(zhì)量的影響

圖1為低高速切削條件下，飾面刨花板銑削表面粗糙度Ra值隨著切削時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律。從圖1可以看出，在高速和低速切削條件下，隨著切削時(shí)間的增長(zhǎng)，飾面刨花板銑削表面粗糙度均隨之增大，表面質(zhì)量降低。這主要是因?yàn)?，無論低速還是高速切削，隨著刀具切削時(shí)間的增長(zhǎng)，刀具前后刀面切削刃口處逐漸磨損，切削刃口鋒利程度降低，切削力也隨之增大，進(jìn)而造成刃口的切削質(zhì)量降低。

圖1 低高速切削條件下飾面刨花板銑削表面粗糙度變化規(guī)律Fig. 1 The effect of cutting time on the surface roughness of decorative particleboard in the low and high cutting speed conditions

此外，從圖1也可以看出，在切削60 min之前，相同的切削時(shí)間內(nèi)，高速切削條件下銑削表面粗糙度低于低速切削條件下的銑削表面粗糙度。而切削70 min及之后，在相同的切削時(shí)間內(nèi)，高速切削條件下銑削表面粗糙度卻高于低速切削條件下的銑削表面粗糙度。這可能是，前階段（60 min之前）相對(duì)于低速切削，高速切削有助于提高切削表面的質(zhì)量，而在后階段（70 min之后）相對(duì)于低速切削，高速切削單位時(shí)間內(nèi)切削刃口與飾面刨花板工件的摩擦增多，且切削刃口熱沖擊載荷較大，造成銑刀磨損加快，進(jìn)而增大了飾面刨花板銑削表面的粗糙度。

為了分析粗糙度的主要成因，試驗(yàn)采集了低、高速條件下飾面刨花板分別銑削60 min后，飾面刨花板的銑削表面形貌圖。圖2所示為在低、高速切削條件下均切削60 min后飾面刨花板銑削表面形貌圖。從圖2中可以看出，在低速切削條件下，飾面刨花板存在著較多毛刺和凹坑，而在高速切削條件下，飾面刨花板銑削表面未出現(xiàn)毛刺，且凹坑較少。這些是由于刀具低速切削飾面刨花板時(shí)，切削刃微觀直接切削大量的木材刨花顆粒，未能順利將刨花顆粒切開，切削刃會(huì)將刨花顆粒從切削平面以下撮起，形成毛刺或凹坑。因此，可以認(rèn)為切削速度的提高可以降低銑削表面的粗糙度，提高表面質(zhì)量。

圖2 低高速切削條件下飾面刨花板銑削表面形貌圖（60 min）Fig. 2 The surface morphology of milling surface during the low and high cutting speed (60 min)

2.2 切削速度對(duì)涂層刀具磨損的影響

圖3為分別在低速和高速條件下銑削飾面刨花板70 minCrN涂層刀具切削刃口處磨損的形貌圖。從圖3中可以看出，CrN涂層銑刀在低速切削條件下只是在后刀面切削刃口處出現(xiàn)了微小的崩刃，屬于正常的磨料磨損，而CrN涂層銑刀在高速切削條件下則是在后刀面切削刃口處出現(xiàn)了較大涂層剝落，進(jìn)而造成硬質(zhì)合金基體磨損，屬于異常磨損，如果繼續(xù)在高速切削條件下使用會(huì)加速刀具磨損，進(jìn)而降低加工表面質(zhì)量。這也是造成圖1中切削時(shí)間達(dá)到70 min時(shí)高速銑削表面粗糙度開始大于低速銑削表面粗糙度的原因。

圖4為圖3中A和B位置的進(jìn)一步放大，從圖4中可以看出，低速切削條件下，CrN涂層銑刀的后刀面切削刃口處主要是涂層的磨料磨損，并沒有發(fā)生涂層裂紋、斷裂和剝落的現(xiàn)象。而在高速切削條件下，CrN涂層銑刀的崩刃是涂層剝落造成的，后刀面切削刃口處形成了較大裂紋，這種較大裂紋促使涂層迅速剝落，將硬質(zhì)合金基體暴露出來，進(jìn)而加速了硬質(zhì)合金基體的磨料磨損。這主要是由于相較于低速切削，高速切削雖然大幅度提高了生產(chǎn)效率和切削質(zhì)量，但是高速切削單位時(shí)間里的切削工件次數(shù)增加，使刀具承受著更為苛刻的周期性熱載荷及機(jī)械載荷[18]，這些因素克服了CrN涂層和硬質(zhì)合金基體間的附著力，使涂層產(chǎn)生斷裂裂紋，并在后續(xù)切削過程中導(dǎo)致涂層的剝落。涂層剝落后，硬質(zhì)合金基體暴露出來，加速了硬質(zhì)合金基體的磨料磨損，導(dǎo)致涂層刀具異常磨損。

圖3 低、高速切削70 min后CrN涂層刀具后刀面切削刃口處磨損形貌（500×）Fig. 3 The wear morphology on the clearance face of the CrN coated tool after 70 min, during the low and high cutting speed (500×)

圖4 低、高速切削70 min后CrN涂層刀具后刀面切削刃口處磨損形貌（1 300×）Fig. 4 The wear morphology on the clearance face of the CrN coated tool after 70 min, during the low and high cutting speed (1 300×)

這也進(jìn)一步說明，低速切削條件可以保證CrN涂層銑刀實(shí)現(xiàn)正常磨損，而高速切削極易快速造成CrN涂層裂紋和斷裂，進(jìn)而促成涂層刀具早期的涂層剝落失效，限制了CrN涂層刀具繼續(xù)高速切削的使用。

3 結(jié)論與討論

（1）低速切削條件下飾面刨花板銑削表面粗糙度高于高速切削條件下的銑削表面粗糙度；低速切削條件下飾面刨花板銑削表面極易產(chǎn)生毛刺和凹坑；高速切削條件有助于減少飾面刨花板銑削表面的毛刺和凹坑。

（2）低速切削條件下，CrN涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損主要是在后刀面切削刃口處出現(xiàn)了微小的崩刃，表現(xiàn)為磨料磨損；高速切削條件下，CrN涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損主要是在后刀面切削刃口處出現(xiàn)了涂層剝落和基體磨損，這種涂層的早期剝落及基體磨損造成了涂層刀具早期失效。

（3）高速切削雖然大幅度提高了飾面刨花板銑削效率和表面質(zhì)量，但是也同時(shí)加快了CrN涂層刀具的早期失效。

本研究主要考察了切削速度對(duì)切削質(zhì)量和CrN涂層刀具磨損的影響，揭示了切削速度的影響機(jī)制，但是并未對(duì)銑削過程中的平均切削厚度和銑削深度等因素的影響規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此，將在后續(xù)開展進(jìn)一步研究，以期全面系統(tǒng)地分析關(guān)鍵切削參數(shù)對(duì)切削質(zhì)量和涂層刀具磨損的影響機(jī)理。