臨界厚度現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。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生臨界厚度現象[2]。武文毅搭建了刀具磨損監測系統，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象進行仿真，研究臨界厚度下銑削區域溫度分布。并設計臨界厚度下銑削實驗，總結臨界厚度現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

刀具材料為硬質合金，材料參數如表1所示，工件材料為鈦合金TC4，材料參數如表2所示。

表1 刀具材料參數

表2 工件材料參數

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 臨界厚度現象仿真

2.1 臨界厚度幾何模型介紹

使用不同規格的微銑刀，臨界厚度數值不同。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。

2.2 臨界厚度現象仿真

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

表3 臨界厚度仿真參數

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，切削區域材料變形，應垂直向上，可根據仿真結果中材料變形方向判斷是否處于臨界厚度切削狀態。

模型中刀具和工件接觸位置垂直方向的變形結果如圖3所示，圖3中，u1,u2數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，數值為負，變形方向向下，材料主要表現為擠壓變形，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，切削厚度 0.6μm大于臨界厚度。

由仿真結果可知，圓弧半徑為3μm時，臨界厚度值在0.5～0.6μm區間內，與公式計算結果0.199R吻合。因此可以采用有限元分析方法對臨界厚度現象進行仿真，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象對銑削區域溫度的影響。通過上節仿真知，刀具圓弧半徑為3μm時，臨界厚度值在0.5～0.6μm區間內，保持模型中主軸轉速不變，將每齒進給量設置為0.5μm和0.7μm，仿真參數如表4所示。

表4 仿真參數

銑削區域溫度分布如圖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，臨界厚度現象導致切削區域熱量不宜散出，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 臨界厚度現象對刀具磨損的影響

實驗刀具為日立公司生產的雙刃立銑刀，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

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速和銑削深度不變，改變每齒進給量，實驗參數如表5所示。每加工完成兩個槽后，取下微銑刀測量刀尖磨損量，當刀尖磨損量值超過10μm后停止加工。

表5 實驗參數

3.2 實驗結果分析

刀尖磨損量與加工槽數量曲線如圖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 語

本文使用有限元二維車削模型對臨界厚度現象進行仿真，仿真結果證實采用有限元分析方法仿真臨界厚度現象的有效性，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域溫度分布規律，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。