采用选择性激光熔化技术制造的具有顺应冷却通道的铣刀测试

更冷的刀具带来更平滑的加工

现代工厂依赖于必须承受巨大力和高温的金属切削刀具。本研究展示了 3D 打印如何制造一种更智能的铣刀，在刀体内部构建曲线微通道，将冷却液直接引导到切削刃处。通过从内部重新设计刀具并仔细检测所用金属，作者们创造出一种能使刀片更凉、寿命更长的刀具，性能优于传统刀具。

为何刀具温度至关重要

只要转动的铣刀加工钢或铝，刀片与工件的接触区就会迅速升温。如果不能及时带走这些热量，切削刃会软化、磨损，甚至崩裂或断裂。传统铣刀通常通过直钻孔将冷却液送到靠近刀片的位置，但并不能精确送到最需要的地方。随着加工速度和产能需求的提高，这种旧有的冷却方式成为限制因素，缩短了刀具寿命并增加了成本。

构建新型铣刀

团队采用金属 3D 打印，具体为选择性激光熔化（SLM），将刀体制造为直径 25 毫米的高强度马氏时效钢 M300。在将这种材料用于高强度刀具之前，他们打印并进行了时效处理的试样检测，然后检查其内部结构并测量强度与硬度。显微镜观察显示出致密的钢材，仅有微小孔隙，并在热处理过程中生成了大量纳米级颗粒，这显著提高了硬度和抗变形能力。这些检测确认了打印钢能安全承受切削时产生的高负荷。

将冷却通道贴近刀刃设计

在材料得到验证后，作者们设计了新型刀体，其隐蔽通道弯曲延伸，使冷却液直接从每个刀片切削刃后方喷出。利用计算机仿真来确保这些通道及整体几何形状在受力时不会削弱刀具。有限元分析显示，3D 打印设计中的应力远低于钢材强度，且比传统刀具更低，部分原因是新结构避免了导致应力集中的尖角。打印后，仅对关键接触面和螺纹进行了精加工，以便能精准安装标准商用刀片。

对打印刀具的实测验证

研究者随后在一系列实际加工试验中，将该 3D 打印刀具与传统实心刀体进行了比较。他们在铝和建筑用钢上进行了端面铣、开槽和肩部铣削，并在刀具钢材上进行了长期耐久性测试，既测试了软态也测试了淬硬后的状态。通过力传感器测量切削力，并用高分辨率光学设备测量表面粗糙度，同时追踪在干切和内部供冷条件下刀片的磨损速度。在几乎所有切削工况下，打印刀具所需切削力更低，意味着切削更省力。表面质量在某些情况下打印刀体略差，研究者将其归因于未对所有外表面做完全精整而导致的轻微不平衡。

以冷却为中心的设计提升刀具寿命

顺应冷却通道在耐久性测试中体现出最明显的优势。当通过刀具供给冷却液时，安装在 3D 打印刀体内的刀片寿命比传统刀具长约 20%，这得益于对切削刃更直接的冷却和更好的切屑排出。在无冷却液的干切条件下，两种刀具表现相近，证明主要收益来自改进的冷却路径，而非其他设计细节。综合来看，结果表明金属 3D 打印能够制造致密、强韧的刀体，并内置传统钻孔无法实现的曲线通道，为制造寿命更长、效率更高的铣刀打开了前景，尤其适用于难加工材料。

引用: Kolomy, S., Slany, M., Sedlak, J. et al. Testing of milling cutter with the conformal cooling channels produced by the selective laser melting technology. Sci Rep 16, 9599 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-31338-x

关键词: 3D 打印切削刀具, 顺应冷却通道, 马氏时效钢 M300, 铣刀耐久性, 选择性激光熔化