嚴 亮，王學彬，張利深，劉小磊，丁梅華

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

隨著科技的進步，微型電機在航天航空、醫(yī)學設備等很多領域都得到應用。隨著應用設備的小型化，微型電機尺寸也逐漸減小。為了實現微型電機中微結構的加工，微銑削技術在微型電機生產過程中應用越來越普遍。在實際生產過程中，經常會出現微銑刀破損失效，刀具破損失效嚴重影響生產效率和生產成本。

目前，很多學者對微銑削加工機理進行研究。文獻[1]測量發(fā)現直徑0.1mm微銑刀刃口半徑為2 μm，進給量選擇過小會發(fā)生最小切削厚度現象。文獻[2]研究了徑跳對銑削力的影響規(guī)律，研究表明，安裝誤差是引起徑跳的主要原因，并發(fā)現使用彈簧夾頭可以減少安裝誤差。文獻[3]發(fā)現可以將微銑刀等效為懸臂梁模型，并建立有限元分析模型對微銑刀簡化模型固有模態(tài)進行仿真。文獻[4]開展了很多研究，研究表明微銑刀破損是引起刀具失效的主要原因，銑削參數選擇會導致刀具破損失效。文獻[5-6]設計了自動檢測系統(tǒng)，通過監(jiān)測微銑削過程中噪聲變化特點，來判斷刀具是否失效。

為了減少微銑削時刀具破損失效發(fā)生，提高刀具的使用壽命，本文使用ABAQUS有限元分析軟件，建立微銑削仿真模型，研究安裝偏心和工藝參數對微銑刀最大拉應力的影響規(guī)律，分析刀具破損失效的影響因素，從而減少刀具發(fā)生破損失效。

1 建立微銑削模型

1.1 建立微銑刀模型

對微型雙刃平頭立銑刀進行仿真，使用畫圖軟件Proe建立刀具三維模型，微銑刀主要參數如表1所示，微銑刀三維模型如圖1所示。

表1 刀具主要參數

圖1 微銑刀三維模型

1.2 本構模型和材料參數設置

微銑削過程中工件材料發(fā)生塑性流動，產生高溫和大變形量。切削區(qū)域的應力值是不斷變化的，應力大小與切削溫度、應變等因素有關。材料本構關系模型是反映材料應力和應變關系的公式，是影響金屬切削仿真的重要模型，目前比較成熟的模型有Altintas Y模型、Guo Y B模型、Johnson-Cook模型[7]。Johnson-Cook模型與其它模型相比，可以更準確地描述應變、切削溫度和應變率對切削應力的影響，故選用Johnson-Cook本構關系模型，其表達式如下：

(1)

表2 工件材料參數

微銑削仿真模型中微銑刀材料為WC_Co硬質合金刀具，其材料參數如表3所示。

表3 刀具材料參數

1.3 建立微銑削仿真模型

使用ABAQUS有限元分析軟件的動力學模塊模擬微銑削過程。零件體積大小決定網格數量，為減少網格數量，提高運算速度，仿真時截取刀具和工件的部分結構進行建模，仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型圖

2 安裝偏心對刀具最大拉應力的影響分析

銑刀安裝到機床主軸上，理想情況下，銑刀軸心與主軸軸心重合，但由于安裝誤差和主軸精度的影響，實際銑刀軸心與主軸軸心不重合，存在微小的安裝偏心。為進一步研究安裝偏心對刀具破損的影響，建立微銑削仿真模型，模型中設置刀具長度為20 mm，刀具旋轉中心與刀具幾何中心存在偏角r。設置偏角r為不同數值，仿真分析不同安裝偏角時微銑刀受到最大拉應力極值，仿真參數如表4所示。

表4 仿真參數

圖3為安裝偏角為0時，銑削過程中微銑刀最大拉應力分布圖。由圖3可知,微銑刀最大拉應力極值出現在刀尖位置，數值為1 563 MPa，距離刀尖越遠處顏色由紅色逐漸轉變?yōu)樗{色，表明最大拉應力數值在逐漸減小，刀身部位收到最大拉應力幾乎為零。仿真結果表明，微銑刀最大拉應力極值出現在刀尖區(qū)域，是刀具最容易發(fā)生破損失效的位置。而實際微銑削過程中刀尖位置是微銑刀主要工作區(qū)域，刀具破損位置多發(fā)生在刀尖區(qū)域，與仿真結果一致。

圖3 微銑刀最大拉應力分布圖

圖4 安裝偏角對最大拉應力極值的影響

在不同安裝偏角下，記錄每次銑削過程中微銑刀受到最大拉應力的極值，圖4為安裝偏角對最大拉應力極值的影響曲線。由圖4可知，隨著安裝偏角增加，微銑刀受到最大拉應力極值逐漸增加。安裝偏角為0.001°時，微銑刀受到最大拉應力極值為1 622 MPa；安裝偏角為0.002°時，最大拉應力極值為1 709 MPa；安裝偏角為0.003°，微銑刀受到最大拉應力增加非常明顯，數值為1 869 MPa。微銑刀材料為鎢鈷類硬質合金，該材料最大抗彎強度為1 840 MPa。由此可知，安裝偏角為0.003°時，最大拉應力極值超過刀具最大抗彎強度，微銑刀發(fā)生破損失效。由仿真結果可知，安裝偏心對微銑刀最大拉應力極值影響明顯，隨著安裝偏角增加，最大拉應力極值急劇增加，故安裝偏心是引起刀具破損失效的主要因素。仿真結果表明，直徑0.5 mm硬質合金銑刀加工鈦合金時，刀具安裝偏角不宜大于0.002°。微銑削加工應選擇具有高精度的主軸機床。

3 工藝參數對微銑刀最大拉應力極值的影響

微銑削工藝參數選擇不合理會導致刀具發(fā)生破損失效，通過實驗可以選出合理的工藝參數，但實驗過程需要大量的成本和時間投入。本文通過建立微銑削仿真模型，研究微銑削鈦合金的工藝參數對刀具破損失效的影響。改變仿真模型中銑削速度、每齒進給量和銑削深度，記錄不同條件下微銑刀的最大拉應力極值。通過微銑刀最大拉應力極值的變化，判斷微銑刀是否會出現破損失效，從而選擇出合理的工藝參數。

3.1 進給量對最大拉應力極值的影響

模型中不變參數為銑削速度和銑削深度，仿真分析每齒進給量對微銑刀最大拉應力極值的影響規(guī)律，參數如表5所示。

表5 變每齒進給量工藝參數

每齒進給量對微銑刀最大拉應力極值影響如圖5所示。由圖5可知，隨著每齒進給量的增加，微銑刀最大拉應力極值呈增加趨勢。每齒進給量0.5 μm增加至1 μm時，最大拉應力極值增加速率最快，每齒進給量大于1 μm時，最大拉應力極值增速緩慢。每齒進給量為0.5 μm時，工件表面形貌如圖6所示，銑削過程中沒有材料去除，由此可知，每齒進給量0.5 μm小于微銑刀的最小切削厚度。當每齒進給量小于最小切削厚度值時，銑削時刀具為負前角，刀具與工件之間相互擠壓，出現犁耕現象，無法去除工件材料[9]。當每齒進給量為1 μm時，最大拉應力極值為1 652 MPa，每齒進給量增加至3 μm時，最大拉應力極值變化不明顯，數值為1 661 MPa。當每齒進給量為4 μm時，最大拉應力極值變化速率逐漸加快；每齒進給量為5 μm時，最大拉應力極值為1 831 MPa，接近刀具的抗彎強度1 840 MPa。由仿真可知，每齒進給量對微銑刀最大拉應力極值影響較小，當每齒進給量值小于微銑刀最小切削厚度時，會出現犁耕現象。直徑0.5 mm硬質合金微銑刀加工鈦合金時，每齒進給量選取區(qū)間為1～3 μm。

圖5 每齒進給量和最大拉應力極值的影響

圖6 每齒進給量0.5 μm時工件表面形貌圖

3.2主軸轉速對最大拉應力極值的影響

模型中不變參數為每齒進給量和銑削深度，仿真分析主軸轉速對微銑刀最大拉應力極值的影響規(guī)律，工藝參數設置如表6所示。

表6 變轉速工藝參數

主軸轉速對微銑刀最大拉應力極值的影響曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著轉速提高,微銑刀受到最大拉應力極值呈減小趨勢。轉速數值10 000 r/min時，最大拉應力極值為1 967 MPa，大于刀具抗彎強度1 840 MPa。主軸轉速為30 000 r/min時，最大拉應力極值為1 834 MPa，略小于刀具抗彎強度；當主軸轉速增加至50 000 r/min時，最大拉應力極值為1 661 MPa，減少速率最大。隨著轉速繼續(xù)增加，最大拉應力極值減少量逐漸變緩，主軸轉速為110 000 r/min時，最大拉應力極值為1 517 MPa。由仿真結果可知，微銑削過程中選擇較高主軸轉速，可防止刀具發(fā)生破損失效。直徑0.5 mm硬質合金微銑刀加工鈦合金時，主軸轉速選取應大于50 000 r/min。

圖7 主軸轉速對最大拉應力極值的影響

3.3 銑削深度對最大拉應力極值的影響

模型中不變參數為主軸轉速和每齒進給量，仿真分析銑削深度對微銑刀最大拉應力極值的影響規(guī)律，工藝參數設置如表7所示。

表7 變銑削深度工藝參數

銑削深度對微銑刀最大拉應力極值的影響曲線如圖8所示。由圖8可知,隨著銑削深度增加,微銑刀受到最大拉應力極值逐漸增加。銑削深度為4 μm時，微銑刀受到最大拉應力極值為1 541 MPa；銑削深度為10 μm時，最大拉應力極值為1 733 MPa，最大拉應力極值增長速率相對緩慢。銑削深度為12 μm時，最大拉應力極值為1 807 MPa；銑削深度為14 μm時，最大拉應力極值為1 965 MPa，超過刀具的抗彎強度。銑削深度大于10 μm，最大拉應力極值增長速率增加明顯。由圖8曲線可知，銑削深度對最大拉應力極值影響明顯，微銑削過程中選取較大的銑削深度，會導致刀具發(fā)生破損失效。直徑0.5 mm硬質合金微銑刀加工鈦合金時，銑削深度選取不宜大于10 μm。

圖8 銑削深度對最大拉應力極值的影響

4 結 語

由仿真結果可知，安裝偏心對微銑刀最大拉應力極值影響明顯。隨著安裝偏角增加，最大拉應力極值急劇增加，故安裝偏心是引起刀具破損失效的主要因素。直徑0.5 mm硬質合金銑刀加工鈦合金時，刀具安裝偏角不宜大于0.002°。微銑削加工應選擇具有高精度的主軸機床。

仿真結果表明，主軸轉速和銑削深度對微銑刀最大拉應力影響明顯，最大拉應力極值隨主軸轉速增加而減小，隨著銑削深度增加而增加。每齒進給量對微銑刀最大拉應力極值影響較小，但每齒進給量不能小于微銑刀最小切削厚度。直徑0.5 mm硬質合金銑刀加工鈦合金時，每齒進給量宜選擇區(qū)間為1～3 μm，主軸轉速應大于50 000 r/min，銑削深度不宜大于10 μm。