臨界厚度現(xiàn)象對(duì)微銑刀磨損的影響

王學(xué)彬，嚴(yán) 亮，楊 健，肖淵海

(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

隨著裝備微型化，微型電機(jī)需求量明顯增加，微銑削加工開(kāi)始應(yīng)用于微型電機(jī)生產(chǎn)。微銑刀制造時(shí)受加工能力和刀具強(qiáng)度影響，切削刃不能做成絕對(duì)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(jìn)給量很大，切削刃圓弧對(duì)銑削影響可以忽略不計(jì)。而在微銑削時(shí)每齒進(jìn)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(cè)系統(tǒng)，并研究了切削三要素及切削時(shí)間對(duì)微銑刀磨損量的影響[3]。

本文通過(guò)對(duì)臨界厚度現(xiàn)象進(jìn)行仿真，研究臨界厚度下銑削區(qū)域溫度分布。并設(shè)計(jì)臨界厚度下銑削實(shí)驗(yàn)，總結(jié)臨界厚度現(xiàn)象對(duì)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(shè)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(dá)式為式(1)[4]，該模型適用于表達(dá)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和材料物理特性之間的關(guān)系。

(1)

1.2 建立有限元仿真模型

使用ABAQUS軟件建立二維車(chē)削模型和二維銑削模型，如圖1所示。

(a) 二維車(chē)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(guān)[5]，臨界厚度幾何模型如圖2所示。根據(jù)A點(diǎn)受力，推導(dǎo)出臨界厚度公式，見(jiàn)式(2)。

圖2 臨界厚度幾何模型

臨界厚度計(jì)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(yàn)Fy/Fx取0.9，摩擦系數(shù)0.2，通過(guò)計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)觀察臨界厚度現(xiàn)象。本文通過(guò)有限元分析軟件建立二維車(chē)削模型，對(duì)臨界厚度現(xiàn)象進(jìn)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(shí)，材料受到擠壓，切削位置工件變形，應(yīng)垂直向下；當(dāng)切削厚度大于臨界厚度時(shí)，切削區(qū)域材料變形，應(yīng)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(shí)刀具附近工件表面變形，數(shù)值為負(fù)，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(shí)，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(dāng)切削厚度為0.8μm時(shí)，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(shí)，臨界厚度值在0.5～0.6μm區(qū)間內(nèi)，與公式計(jì)算結(jié)果0.199R吻合。因此可以采用有限元分析方法對(duì)臨界厚度現(xiàn)象進(jìn)行仿真，確定材料變形量相對(duì)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(duì)微銑刀溫度的影響

周海波[6]等研究切削鈦合金時(shí)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(duì)銑削區(qū)域溫度的影響。通過(guò)上節(jié)仿真知，刀具圓弧半徑為3μm時(shí)，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(jìn)給量設(shè)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(jìn)給量0.5μm時(shí)，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(jìn)給量0.7μm時(shí)，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(jìn)給量0.5μm小于臨界厚度，切削過(guò)程中無(wú)切屑產(chǎn)生，切削熱無(wú)法通過(guò)排屑散出，熱量在切削刃積聚，導(dǎo)致切削刃溫度較高。每齒進(jìn)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(yán)重的工件位置，可認(rèn)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(dǎo)致切削區(qū)域熱量不宜散出，熱量會(huì)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(duì)刀具磨損的影響

實(shí)驗(yàn)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(cè)量刀具刃口半徑約為3μm。

圖6 微銑刀外形

3.1 實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)

實(shí)驗(yàn)方法為微銑刀在鈦合金板上加工槽長(zhǎng)度為15mm，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持主軸轉(zhuǎn)速和銑削深度不變，改變每齒進(jìn)給量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5所示。每加工完成兩個(gè)槽后，取下微銑刀測(cè)量刀尖磨損量，當(dāng)?shù)都饽p量值超過(guò)10μm后停止加工。

表5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)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(shì)相同，加工前期曲線相對(duì)平緩，加工后期曲線變化增加，刀具磨損速度加劇。當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.4μm時(shí)，微銑刀加工12個(gè)槽后，刀尖磨損量為10.9μm。每齒進(jìn)給量為0.6μm時(shí)，微銑刀加工20個(gè)槽后，刀尖磨損量為10.6mm。每齒進(jìn)給量為0.8μm時(shí)，微銑刀加工18個(gè)槽后，刀尖磨損量為11.1μm。每齒進(jìn)給量由0.6μm變化至0.8μm時(shí)，微銑刀磨損速度增加不明顯，表明臨界厚度上加工時(shí)進(jìn)給速度對(duì)刀尖磨損影響不明顯。當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.4μm時(shí)，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(jìn)給量0.4 μm

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)每齒進(jìn)給量大于臨界厚度，進(jìn)給速度增加對(duì)微銑刀磨損影響不明顯；當(dāng)每齒進(jìn)給量小于臨界厚度，微銑刀磨損速率明顯增加，故設(shè)置進(jìn)給速度應(yīng)保證每齒進(jìn)給量大于臨界厚度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用有限元二維車(chē)削模型對(duì)臨界厚度現(xiàn)象進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證實(shí)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(wú)法通過(guò)鐵屑散出，導(dǎo)致刀尖溫度明顯升高，刀尖溫度升高會(huì)加速刀具磨損。

通過(guò)微銑削實(shí)驗(yàn)，每齒進(jìn)給量小于臨界厚度時(shí)刀具磨損相同長(zhǎng)度時(shí)，微銑刀加工槽數(shù)明顯減少，當(dāng)每齒進(jìn)給量小于臨界厚度時(shí)，刀具磨損速度增加明顯。