仿真分析微銑刀破損失效的影響因素

嚴(yán) 亮，王學(xué)彬，張利深，劉小磊，丁梅華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，微型電機(jī)在航天航空、醫(yī)學(xué)設(shè)備等很多領(lǐng)域都得到應(yīng)用。隨著應(yīng)用設(shè)備的小型化，微型電機(jī)尺寸也逐漸減小。為了實(shí)現(xiàn)微型電機(jī)中微結(jié)構(gòu)的加工，微銑削技術(shù)在微型電機(jī)生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越普遍。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)微銑刀破損失效，刀具破損失效嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。

目前，很多學(xué)者對(duì)微銑削加工機(jī)理進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]測(cè)量發(fā)現(xiàn)直徑0.1mm微銑刀刃口半徑為2 μm，進(jìn)給量選擇過小會(huì)發(fā)生最小切削厚度現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2]研究了徑跳對(duì)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(xiàn)使用彈簧夾頭可以減少安裝誤差。文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)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(duì)微銑刀簡(jiǎn)化模型固有模態(tài)進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[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(shù)選擇會(huì)導(dǎo)致刀具破損失效。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)微銑削過程中噪聲變化特點(diǎn)，來判斷刀具是否失效。

為了減少微銑削時(shí)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(shù)對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)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(duì)微型雙刃平頭立銑刀進(jìn)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(shù)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(shù)

圖1 微銑刀三維模型

1.2 本構(gòu)模型和材料參數(shù)設(shè)置

微銑削過程中工件材料發(fā)生塑性流動(dòng)，產(chǎn)生高溫和大變形量。切削區(qū)域的應(yīng)力值是不斷變化的，應(yīng)力大小與切削溫度、應(yīng)變等因素有關(guān)。材料本構(gòu)關(guān)系模型是反映材料應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)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(zhǔn)確地描述應(yīng)變、切削溫度和應(yīng)變率對(duì)切削應(yīng)力的影響，故選用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系模型，其表達(dá)式如下：

(1)

表2 工件材料參數(shù)

微銑削仿真模型中微銑刀材料為WC_Co硬質(zhì)合金刀具，其材料參數(shù)如表3所示。

表3 刀具材料參數(shù)

1.3 建立微銑削仿真模型

使用ABAQUS有限元分析軟件的動(dòng)力學(xué)模塊模擬微銑削過程。零件體積大小決定網(wǎng)格數(shù)量，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高運(yùn)算速度，仿真時(shí)截取刀具和工件的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)刀具最大拉應(yīng)力的影響分析

銑刀安裝到機(jī)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(shí)際銑刀軸心與主軸軸心不重合，存在微小的安裝偏心。為進(jìn)一步研究安裝偏心對(duì)刀具破損的影響，建立微銑削仿真模型，模型中設(shè)置刀具長(zhǎng)度為20 mm，刀具旋轉(zhuǎn)中心與刀具幾何中心存在偏角r。設(shè)置偏角r為不同數(shù)值，仿真分析不同安裝偏角時(shí)微銑刀受到最大拉應(yīng)力極值，仿真參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)

圖3為安裝偏角為0時(shí)，銑削過程中微銑刀最大拉應(yīng)力分布圖。由圖3可知,微銑刀最大拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在刀尖位置，數(shù)值為1 563 MPa，距離刀尖越遠(yuǎn)處顏色由紅色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，表明最大拉應(yīng)力數(shù)值在逐漸減小，刀身部位收到最大拉應(yīng)力幾乎為零。仿真結(jié)果表明，微銑刀最大拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在刀尖區(qū)域，是刀具最容易發(fā)生破損失效的位置。而實(shí)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(jié)果一致。

圖3 微銑刀最大拉應(yīng)力分布圖

圖4 安裝偏角對(duì)最大拉應(yīng)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(yīng)力的極值，圖4為安裝偏角對(duì)最大拉應(yīng)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(yīng)力極值逐漸增加。安裝偏角為0.001°時(shí)，微銑刀受到最大拉應(yīng)力極值為1 622 MPa；安裝偏角為0.002°時(shí)，最大拉應(yīng)力極值為1 709 MPa；安裝偏角為0.003°，微銑刀受到最大拉應(yīng)力增加非常明顯，數(shù)值為1 869 MPa。微銑刀材料為鎢鈷類硬質(zhì)合金，該材料最大抗彎強(qiáng)度為1 840 MPa。由此可知，安裝偏角為0.003°時(shí)，最大拉應(yīng)力極值超過刀具最大抗彎強(qiáng)度，微銑刀發(fā)生破損失效。由仿真結(jié)果可知，安裝偏心對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值影響明顯，隨著安裝偏角增加，最大拉應(yīng)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(jié)果表明，直徑0.5 mm硬質(zhì)合金銑刀加工鈦合金時(shí)，刀具安裝偏角不宜大于0.002°。微銑削加工應(yīng)選擇具有高精度的主軸機(jī)床。

3 工藝參數(shù)對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值的影響

微銑削工藝參數(shù)選擇不合理會(huì)導(dǎo)致刀具發(fā)生破損失效，通過實(shí)驗(yàn)可以選出合理的工藝參數(shù)，但實(shí)驗(yàn)過程需要大量的成本和時(shí)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(shù)對(duì)刀具破損失效的影響。改變仿真模型中銑削速度、每齒進(jìn)給量和銑削深度，記錄不同條件下微銑刀的最大拉應(yīng)力極值。通過微銑刀最大拉應(yīng)力極值的變化，判斷微銑刀是否會(huì)出現(xiàn)破損失效，從而選擇出合理的工藝參數(shù)。

3.1 進(jìn)給量對(duì)最大拉應(yīng)力極值的影響

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

表5 變每齒進(jìn)給量工藝參數(shù)

每齒進(jìn)給量對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值影響如圖5所示。由圖5可知，隨著每齒進(jìn)給量的增加，微銑刀最大拉應(yīng)力極值呈增加趨勢(shì)。每齒進(jìn)給量0.5 μm增加至1 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值增加速率最快，每齒進(jìn)給量大于1 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值增速緩慢。每齒進(jìn)給量為0.5 μm時(shí)，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(jìn)給量0.5 μm小于微銑刀的最小切削厚度。當(dāng)每齒進(jìn)給量小于最小切削厚度值時(shí)，銑削時(shí)刀具為負(fù)前角，刀具與工件之間相互擠壓，出現(xiàn)犁耕現(xiàn)象，無法去除工件材料[9]。當(dāng)每齒進(jìn)給量為1 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值為1 652 MPa，每齒進(jìn)給量增加至3 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值變化不明顯，數(shù)值為1 661 MPa。當(dāng)每齒進(jìn)給量為4 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值變化速率逐漸加快；每齒進(jìn)給量為5 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值為1 831 MPa，接近刀具的抗彎強(qiáng)度1 840 MPa。由仿真可知，每齒進(jìn)給量對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值影響較小，當(dāng)每齒進(jìn)給量值小于微銑刀最小切削厚度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)犁耕現(xiàn)象。直徑0.5 mm硬質(zhì)合金微銑刀加工鈦合金時(shí)，每齒進(jìn)給量選取區(qū)間為1～3 μm。

圖5 每齒進(jìn)給量和最大拉應(yīng)力極值的影響

圖6 每齒進(jìn)給量0.5 μm時(shí)工件表面形貌圖

3.2主軸轉(zhuǎn)速對(duì)最大拉應(yīng)力極值的影響

模型中不變參數(shù)為每齒進(jìn)給量和銑削深度，仿真分析主軸轉(zhuǎn)速對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值的影響規(guī)律，工藝參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 變轉(zhuǎn)速工藝參數(shù)

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

圖7 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)最大拉應(yīng)力極值的影響

3.3 銑削深度對(duì)最大拉應(yīng)力極值的影響

模型中不變參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量，仿真分析銑削深度對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值的影響規(guī)律，工藝參數(shù)設(shè)置如表7所示。

表7 變銑削深度工藝參數(shù)

銑削深度對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)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(yīng)力極值逐漸增加。銑削深度為4 μm時(shí)，微銑刀受到最大拉應(yīng)力極值為1 541 MPa；銑削深度為10 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值為1 733 MPa，最大拉應(yīng)力極值增長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢。銑削深度為12 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值為1 807 MPa；銑削深度為14 μm時(shí)，最大拉應(yīng)力極值為1 965 MPa，超過刀具的抗彎強(qiáng)度。銑削深度大于10 μm，最大拉應(yīng)力極值增長(zhǎng)速率增加明顯。由圖8曲線可知，銑削深度對(duì)最大拉應(yīng)力極值影響明顯，微銑削過程中選取較大的銑削深度，會(huì)導(dǎo)致刀具發(fā)生破損失效。直徑0.5 mm硬質(zhì)合金微銑刀加工鈦合金時(shí)，銑削深度選取不宜大于10 μm。

圖8 銑削深度對(duì)最大拉應(yīng)力極值的影響

4 結(jié) 語

由仿真結(jié)果可知，安裝偏心對(duì)微銑刀最大拉應(yīng)力極值影響明顯。隨著安裝偏角增加，最大拉應(yīng)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(zhì)合金銑刀加工鈦合金時(shí)，刀具安裝偏角不宜大于0.002°。微銑削加工應(yīng)選擇具有高精度的主軸機(jī)床。

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