臨界厚度現(xiàn)象對微銑刀磨損的影響

王學彬，嚴 亮，楊 健，肖淵海

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

隨著裝備微型化，微型電機需求量明顯增加，微銑削加工開始應用于微型電機生產(chǎn)。微銑刀制造時受加工能力和刀具強度影響，切削刃不能做成絕對鋒利，刀刃上有一定尺寸圓弧[1]。在傳統(tǒng)銑削加工中，由于每齒進給量很大，切削刃圓弧對銑削影響可以忽略不計。而在微銑削時每齒進給量很小，切削刃圓弧的存在使得微銑削產(chǎn)生臨界厚度現(xiàn)象[2]。武文毅搭建了刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)，并研究了切削三要素及切削時間對微銑刀磨損量的影響[3]。

本文通過對臨界厚度現(xiàn)象進行仿真，研究臨界厚度下銑削區(qū)域溫度分布。并設計臨界厚度下銑削實驗，總結(jié)臨界厚度現(xiàn)象對刀具磨損的影響。

1 建立有限元仿真模型

1.1 材料和模型設置

刀具材料為硬質(zhì)合金，材料參數(shù)如表1所示，工件材料為鈦合金TC4，材料參數(shù)如表2所示。

表1 刀具材料參數(shù)

表2 工件材料參數(shù)

仿真中材料模型選擇Johnson-Cook模型，其表達式為式(1)[4]，該模型適用于表達應力、應變、溫度和材料物理特性之間的關系。

(1)

1.2 建立有限元仿真模型

使用ABAQUS軟件建立二維車削模型和二維銑削模型，如圖1所示。

(a) 二維車削模型

2 臨界厚度現(xiàn)象仿真

2.1 臨界厚度幾何模型介紹

使用不同規(guī)格的微銑刀，臨界厚度數(shù)值不同。研究表明，臨界厚度與刀具切削刃圓弧有關[5]，臨界厚度幾何模型如圖2所示。根據(jù)A點受力，推導出臨界厚度公式，見式(2)。

圖2 臨界厚度幾何模型

臨界厚度計算公式：

(2)

式中：R為切削刃圓弧半徑；Fx為X方向分力；Fy為Y方向分力；μ為摩擦系數(shù)。

2.2 臨界厚度現(xiàn)象仿真

根據(jù)經(jīng)驗Fy/Fx取0.9，摩擦系數(shù)0.2，通過計算理論臨界厚度值為0.199R。由于臨界厚度數(shù)值很小，很難通過實驗觀察臨界厚度現(xiàn)象。本文通過有限元分析軟件建立二維車削模型，對臨界厚度現(xiàn)象進行模擬，并分析臨界厚度數(shù)值范圍，仿真參數(shù)如表3所示。

表3 臨界厚度仿真參數(shù)

在臨界厚度下切削時，材料受到擠壓，切削位置工件變形，應垂直向下；當切削厚度大于臨界厚度時，切削區(qū)域材料變形，應垂直向上，可根據(jù)仿真結(jié)果中材料變形方向判斷是否處于臨界厚度切削狀態(tài)。

模型中刀具和工件接觸位置垂直方向的變形結(jié)果如圖3所示，圖3中，u1,u2數(shù)值為工件在縱向的變形量，切削厚度在0.3μm和0.5μm時刀具附近工件表面變形，數(shù)值為負，變形方向向下，材料主要表現(xiàn)為擠壓變形，故切削厚度為 0.5μm小于臨界厚度。切削厚度為0.6μm時，刀具附近工件表面變形，數(shù)值為正值，變形方向垂直向上；當切削厚度為0.8μm時，切削刃附件工件表面垂直向上變形量增加，形成更明顯的切屑形態(tài)，切削厚度 0.6μm大于臨界厚度。

由仿真結(jié)果可知，圓弧半徑為3μm時，臨界厚度值在0.5～0.6μm區(qū)間內(nèi)，與公式計算結(jié)果0.199R吻合。因此可以采用有限元分析方法對臨界厚度現(xiàn)象進行仿真，確定材料變形量相對位移臨界厚度值所在范圍。

(a) h=0.3 μm

2.3 臨界厚度現(xiàn)象對微銑刀溫度的影響

周海波[6]等研究切削鈦合金時切削溫度是引起刀具磨損失效的主要因素。本文使用二維銑削模型，仿真分析臨界厚度現(xiàn)象對銑削區(qū)域溫度的影響。通過上節(jié)仿真知，刀具圓弧半徑為3μm時，臨界厚度值在0.5～0.6μm區(qū)間內(nèi)，保持模型中主軸轉(zhuǎn)速不變，將每齒進給量設置為0.5μm和0.7μm，仿真參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)

銑削區(qū)域溫度分布如圖4所示，銑刀表面切削溫度分布如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，每齒進給量0.5μm時，工件表面溫度最大值為174 ℃，刀具表面溫度最大值為135 ℃。每齒進給量0.7μm時，工件表面溫度最大值升高至196 ℃，微銑刀表面溫度最大值降低至109 ℃。

(a) 0.5 μm

每齒進給量0.5μm小于臨界厚度，切削過程中無切屑產(chǎn)生，切削熱無法通過排屑散出，熱量在切削刃積聚，導致切削刃溫度較高。每齒進給量0.7μm大于臨界厚度，雖然工件表面溫度較高，但最高溫度在變形嚴重的工件位置，可認為熱量被切屑帶走，微銑刀表面溫度較低。由此可知，臨界厚度現(xiàn)象導致切削區(qū)域熱量不宜散出，熱量會在切削刃上積聚，微銑刀溫度增加，從而降低刀具使用壽命。

(a) 0.5 μm

3 臨界厚度現(xiàn)象對刀具磨損的影響

實驗刀具為日立公司生產(chǎn)的雙刃立銑刀，刀具直徑為0.5mm，刀具如圖6所示。使用掃描電子顯微鏡測量刀具刃口半徑約為3μm。

圖6 微銑刀外形

3.1 實驗方法和參數(shù)

實驗方法為微銑刀在鈦合金板上加工槽長度為15mm，實驗過程中保持主軸轉(zhuǎn)速和銑削深度不變，改變每齒進給量，實驗參數(shù)如表5所示。每加工完成兩個槽后，取下微銑刀測量刀尖磨損量，當?shù)都饽p量值超過10μm后停止加工。

表5 實驗參數(shù)

3.2 實驗結(jié)果分析

刀尖磨損量與加工槽數(shù)量曲線如圖7所示。圖7的三條曲線變化趨勢相同，加工前期曲線相對平緩，加工后期曲線變化增加，刀具磨損速度加劇。當每齒進給量為0.4μm時，微銑刀加工12個槽后，刀尖磨損量為10.9μm。每齒進給量為0.6μm時，微銑刀加工20個槽后，刀尖磨損量為10.6mm。每齒進給量為0.8μm時，微銑刀加工18個槽后，刀尖磨損量為11.1μm。每齒進給量由0.6μm變化至0.8μm時，微銑刀磨損速度增加不明顯，表明臨界厚度上加工時進給速度對刀尖磨損影響不明顯。當每齒進給量為0.4μm時，微銑刀加工槽數(shù)減少，微銑刀磨損速度增加明顯。

(a) 每齒進給量0.4 μm

通過實驗可知，當每齒進給量大于臨界厚度，進給速度增加對微銑刀磨損影響不明顯；當每齒進給量小于臨界厚度，微銑刀磨損速率明顯增加，故設置進給速度應保證每齒進給量大于臨界厚度。

4 結(jié) 語

本文使用有限元二維車削模型對臨界厚度現(xiàn)象進行仿真，仿真結(jié)果證實采用有限元分析方法仿真臨界厚度現(xiàn)象的有效性，并可確定臨界厚度值所在范圍。

使用有限元二維銑削模型仿真分析臨界厚度下銑削區(qū)域溫度分布規(guī)律，臨界厚度下由于切削熱無法通過鐵屑散出，導致刀尖溫度明顯升高，刀尖溫度升高會加速刀具磨損。

通過微銑削實驗，每齒進給量小于臨界厚度時刀具磨損相同長度時，微銑刀加工槽數(shù)明顯減少，當每齒進給量小于臨界厚度時，刀具磨損速度增加明顯。