紫銅表面微銑削加工最小切削厚度分析*

王成安，王海雄，黃增祥

(桂林理工大學機械與控制工程學院,廣西 桂林 541004)

0 引言

微銑削加工在加工三維復雜結構和材料多樣性特征的微型零部件方面具有非常突出的優(yōu)勢，具有加工效率高、精度高和成本低等優(yōu)點，是目前最有發(fā)展前景的加工方式之一[1-2]。微銑削加工過程中刀具刀尖鈍圓半徑與工件表面接觸，存在一個剛產生切屑的臨界切削厚度，稱為最小切削厚度[3-4]。最小切削厚度是微銑削的一個重要參數，能直接影響加工精度和刀具磨損，所以確定微銑削加工最小切削厚度值對提高加工精度和降低刀具磨損具有重要意義。

隨著微型零件的廣泛使用，微電火花加工是微型零件加工的常用方法之一，其使用的微電極的常用材料為紫銅。目前對于鋁合金、鎳鉻鐵合金和不銹鋼等材料最小切削厚度研究較多[5-6],但是對于使用刃部直徑小于0.5 mm的微型銑刀探究紫銅材料最小切削厚度的研究很少。

本文首先詳細闡述了紫銅材料受切削力作用下的本構模型，對刃部直徑為0.15 mm、切削刃鈍圓半徑為6 μm刀具，加工紫銅表面進行仿真分析，得到最小切削厚度值。為了驗證仿真正確性，然后使用和仿真時同樣的微銑刀進行實驗驗證，實驗結果和仿真結果相差較小。

1 建立最小切削厚度仿真模型

1.1 紫銅材料的Johnson-Cook本構模型

選擇正確的本構模型對建立有限元仿真模型有決定性作用，本文主要研究紫銅微切削加工的最小切削厚度，采用Johnson-Cook本構模型是因為其適用于材料形變的范圍，且模型結構簡單，易于計算。

Johnson-Cook本構模型由應變硬化效應、應變率效應、溫度效應三部分以乘積的形式組成。由于引入了應變硬化、應變率硬化和熱軟化參數等，使得相比其他形式的本構模型簡單了很多[7]。其公式如下：

(1)

1.2 紫銅材料破壞準則

在銑削過程中，由于銑刀對工件切削力的作用，工件因材料分離而產生切屑，對切屑分離準則的研究一般分為兩種：一是幾何準則，二是物理準則。幾何準則主要是通過工件上分離線的一點到刀具切屑刃一點的幾何距離達到臨界值。物理準則指的是材料形變的物理值是否達到某一臨界值[8]。

(2)

1.3 紫銅最小切削厚度仿真分析過程

實際銑床加工中，首先將工件通過平口鉗固定在銑床上，用銑刀對工件進行銑削加工，整個加工過程是一個三維立體的形式[9-10]。

如圖1為刀具和工件網格圖，刀具的前角為10°、后角為12°、螺旋角為30°、刀具鈍角半徑為6 μm，由于刀具的硬度比工件強很多，因此刀具設置為剛體，在刀具上設置一個參考點，方便后續(xù)定義載荷。

圖1 刀具與工件網格圖

工件材料為紫銅，強度極限為400 MPa～500 MPa,尺寸為5 mm×2.5 mm，在性能模塊中輸入紫銅材料屬性，材料屬性具體值如表1所示[11]、選擇的本構模型為Johnson-Cook本構模型參數如表2所示[12]。在網格模塊中，分別創(chuàng)建未變形切屑幾何模型、分割幾何模型和工件幾何模型三部分，由于未變形切屑幾何模型是需要的仿真結果部分，所以網格密度大，結果更加精準，尺寸為0.01，分割幾何模型和工件幾何模型不是需要的仿真結果部分，所以網格密度小，尺寸分別為0.04和0.09。這樣分開進行網格劃分，減小了計算量，大大節(jié)省了計算機的運算時間[13]。

表1 紫銅材料屬性參數

表2 紫銅Johnson-Cook本構模型參數

在載荷模塊中，對工件和刀具分別設置進給速度、工件固定及工件初始溫度進行定義，進給速度輸入30 mm/min,工件下端面進行固定，默認是華氏溫度，輸入298 °F。刀具與工件之間的接觸方式為面與面接觸方式，最后提交文件進行運算。

1.4 最小切削厚度仿真結果分析

如表3所示，共設計5組試驗，刀具進給速度30 mm/min，刀具轉速為10 000 r/min保持不變，改變銑削深度一個變量，每個變量分別為0.000 8 mm、0.000 9 mm、0.001 mm、0.001 2 mm、0.015 mm進行仿真分析。

表3 最小切削厚度仿真參數設置

不同切削深度的仿真分析云圖如圖2～圖5所示，不同銑削厚度最大應力變化曲線如圖6所示。當切削深度為0.8 μm時(見圖2)，發(fā)現刀具純圓半徑主要對工件進行擠壓，工件表面只發(fā)生塑性變形，此時刀具最大應力為4.032e+2 MPa,低于紫銅強度極限，故沒有切屑產生。當切削深度為0.9 μm時(見圖3), 在犁耕力和剪切力共同的作用下，刀具前刀面有少量切屑產生，此時刀具最大應力為4.568e+2 MPa，處于紫銅強度極限范圍內，材料剛好發(fā)生破壞，有少量切屑產生。當切削厚度為1.0 μm時(見圖4)，刀具最大應力為4.805e+2 MPa,也處于紫銅強度極限范圍內，在切削力逐漸增大的過程中，產生了一層薄薄的的切屑層。當切削厚度為1.2 μm(見圖5)和1.5 μm時，刀具最大應力幾乎線性增加，切削力全部轉變?yōu)榧羟辛Γ呀浬梢欢芜B續(xù)的切屑。所以通過以上分析確定紫銅工件的最小切削厚度的尺寸為0.9 μm。

另外，從圖6可以看出，切削厚度從0.9 μm～1.0 μm，最大切削應力的變化較為平緩，這是因為未產生切屑之前，由于材料的變形對刀具產生了一定的反作用力，切屑產生后這部分的力減小或消失，使得切削厚度增加，而最大應力增加較為緩慢。

圖2 切削深度t=0.8 μm切削仿真圖

圖3 切削深度t=0.9 μm切削仿真圖

圖4 切削深度t=1 μm切削仿真圖

圖5 切削深度t=1.2 μm切削仿真圖

圖6 最大應力隨銑削深度變化圖

2 實驗驗證

有限元仿真分析是在理想狀態(tài)下進行的，和實際加工狀況有很大區(qū)別。實際加工中需要考慮環(huán)境因素對整個加工過程的影響，如室內溫度、冷卻液種類和濃度、機床振動等都有可能影響試驗結果，所以微銑削加工試驗對仿真分析的驗證是非常有必要的。

2.1 實驗材料和設備

(1)實驗用工件和刀具

實驗用的紫銅工件尺寸12 mm×12 mm×18 mm，在加工前需要用砂紙打磨光亮平滑。使用的刀具為直徑φ0.15微型銑刀。如圖7所示，該刀具材料為硬質合金，表面為納米材料涂層，刃徑為0.15 mm ,刃長為4 mm,柄徑為50 mm,兩個刀刃,前角為10°,后角為12°,螺旋角為30°。

圖7 微銑刀

2.2 實驗加工過程

微銑削加工前，需要一個平整光亮的表面，使用不同型號的砂紙對工件表面進行打磨光亮，再使用精雕專用JDSoft_SurfMill8_X64_Pro軟件進行編程，將編程導入銑床后使用φ12 mm四刃平頭銑刀加工工件上表面，需要注意的是工件加工表面平面度必須要保證在0.1 μm以內。再使用φ0.15 mm先在工件的4個角落處對刀，確保工件表面的平面度在上述的范圍。的銑刀按照工藝參數對工件表面進行加工，加工時通過調整刀具間隔、機床主軸的轉速、刀具進給速度和銑削深度等參數，在紫銅上表面加工出規(guī)則的微結構，如圖8所示。

圖8 微銑削加工后工件表面

2.3 刀具最小切削厚度結果分析

微銑削加工所用的實驗參數和仿真一樣，上文表3已列出。當Z軸的坐標為-137.380，在此位置設置參數進行加工，整個工件表面加工后觀察無切屑產生。當Z軸下降1 μm時，即坐標為-137.381時，在整個的切削過程中有少量的切屑產生。保持各加工參數不變，繼續(xù)增加銑削深度，保證每次進刀量為1 μm，發(fā)現切屑的數量越來越多。

如圖9a所示，是數控雕銑機裝夾φ0.15 mm銑刀在參數設置為進給速度30 mm/min、刀具轉速10 000 r/min時加工后的紫銅工件表面，通過非接觸光電影像測量儀觀察，發(fā)現工件表面無切屑產生。隨著銑削深度增大，如圖9b所示，通過非接觸光電影像測量儀觀察，很明顯發(fā)現工件表面有切屑產生。從以上分析可知，紫銅在微切削過程中，在以上設定的參數條件下的最小切削厚度小于1 μm。

(a) 工件無切屑產生 (b) 工件有切屑產生圖9 微銑削加工切屑產生過程

然后采用非接觸光電影像測量儀觀察刀具加工前后的變化。如圖10a所示加工前刀具鈍圓半徑為R0.006 6 mm(和理想刀具鈍圓半徑R0.006基本一致)，設置進給速度30 mm/min、刀具轉速10 000 r/min，銑削深度為0.001 mm進行紫銅表面微銑削加工，加工完工件后，再對刀具直徑進行測量，發(fā)現刀具鈍圓半徑為R0.009 6 mm。通過加工前后比較，發(fā)現刀具鈍圓半徑變大。

通過實驗分析發(fā)現，刀具在加工過程中發(fā)生磨損造成刀具半徑和切削深度改變，刀具切削刃的改變會使得刀具鈍圓半徑變大。

(a) 刀具加工前 (b) 刀具加工后圖10 加工前后刀具鈍圓半徑變化情況

3 總結

最小切削厚度是微尺度加工中非常重要的一個影響因素，可以直接影響加工結果的精度和刀具磨損度。本文使用φ0.15銑刀加工紫銅表面，通過仿真分析和實驗結果得出：

通過改變銑削深度，仿真有限元設置了5組試驗，發(fā)現最小切削厚度為0.9 μm，為了驗證仿真分析真實性，進行了微銑削加工實驗，和仿真分析同樣的參數條件下，產生切屑時銑削深度小于1 μm，和仿真分析一致。所以得出在加工紫銅時切削厚度盡可能大于0.9 μm，避免工件因發(fā)生變形而減小加工精度。同時得出隨著刀具加工時間延長，刀具逐漸磨損會造成刀具切削刃改變，切削刃鈍圓半徑將變大，最小切削厚度值也會隨之增加。