仿真分析微铣刀破损失效的影响因素

严 亮，王学彬，张利深，刘小磊，丁梅华

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

随着科技的进步，微型电机在航天航空、医学设备等很多领域都得到应用。随着应用设备的小型化，微型电机尺寸也逐渐减小。为了实现微型电机中微结构的加工，微铣削技术在微型电机生产过程中应用越来越普遍。在实际生产过程中，经常会出现微铣刀破损失效，刀具破损失效严重影响生产效率和生产成本。

目前，很多学者对微铣削加工机理进行研究。文献[1]测量发现直径0.1mm微铣刀刃口半径为2 μm，进给量选择过小会发生最小切削厚度现象。文献[2]研究了径跳对铣削力的影响规律，研究表明，安装误差是引起径跳的主要原因，并发现使用弹簧夹头可以减少安装误差。文献[3]发现可以将微铣刀等效为悬臂梁模型，并建立有限元分析模型对微铣刀简化模型固有模态进行仿真。文献[4]开展了很多研究，研究表明微铣刀破损是引起刀具失效的主要原因，铣削参数选择会导致刀具破损失效。文献[5-6]设计了自动检测系统，通过监测微铣削过程中噪声变化特点，来判断刀具是否失效。

为了减少微铣削时刀具破损失效发生，提高刀具的使用寿命，本文使用ABAQUS有限元分析软件，建立微铣削仿真模型，研究安装偏心和工艺参数对微铣刀最大拉应力的影响规律，分析刀具破损失效的影响因素，从而减少刀具发生破损失效。

1 建立微铣削模型

1.1 建立微铣刀模型

对微型双刃平头立铣刀进行仿真，使用画图软件Proe建立刀具三维模型，微铣刀主要参数如表1所示，微铣刀三维模型如图1所示。

表1 刀具主要参数

图1 微铣刀三维模型

1.2 本构模型和材料参数设置

微铣削过程中工件材料发生塑性流动，产生高温和大变形量。切削区域的应力值是不断变化的，应力大小与切削温度、应变等因素有关。材料本构关系模型是反映材料应力和应变关系的公式，是影响金属切削仿真的重要模型，目前比较成熟的模型有Altintas Y模型、Guo Y B模型、Johnson-Cook模型[7]。Johnson-Cook模型与其它模型相比，可以更准确地描述应变、切削温度和应变率对切削应力的影响，故选用Johnson-Cook本构关系模型，其表达式如下：

(1)

表2 工件材料参数

微铣削仿真模型中微铣刀材料为WC_Co硬质合金刀具，其材料参数如表3所示。

表3 刀具材料参数

1.3 建立微铣削仿真模型

使用ABAQUS有限元分析软件的动力学模块模拟微铣削过程。零件体积大小决定网格数量，为减少网格数量，提高运算速度，仿真时截取刀具和工件的部分结构进行建模，仿真模型如图2所示。

图2 仿真模型图

2 安装偏心对刀具最大拉应力的影响分析

铣刀安装到机床主轴上，理想情况下，铣刀轴心与主轴轴心重合，但由于安装误差和主轴精度的影响，实际铣刀轴心与主轴轴心不重合，存在微小的安装偏心。为进一步研究安装偏心对刀具破损的影响，建立微铣削仿真模型，模型中设置刀具长度为20 mm，刀具旋转中心与刀具几何中心存在偏角r。设置偏角r为不同数值，仿真分析不同安装偏角时微铣刀受到最大拉应力极值，仿真参数如表4所示。

表4 仿真参数

图3为安装偏角为0时，铣削过程中微铣刀最大拉应力分布图。由图3可知,微铣刀最大拉应力极值出现在刀尖位置，数值为1 563 MPa，距离刀尖越远处颜色由红色逐渐转变为蓝色，表明最大拉应力数值在逐渐减小，刀身部位收到最大拉应力几乎为零。仿真结果表明，微铣刀最大拉应力极值出现在刀尖区域，是刀具最容易发生破损失效的位置。而实际微铣削过程中刀尖位置是微铣刀主要工作区域，刀具破损位置多发生在刀尖区域，与仿真结果一致。

图3 微铣刀最大拉应力分布图

图4 安装偏角对最大拉应力极值的影响

在不同安装偏角下，记录每次铣削过程中微铣刀受到最大拉应力的极值，图4为安装偏角对最大拉应力极值的影响曲线。由图4可知，随着安装偏角增加，微铣刀受到最大拉应力极值逐渐增加。安装偏角为0.001°时，微铣刀受到最大拉应力极值为1 622 MPa；安装偏角为0.002°时，最大拉应力极值为1 709 MPa；安装偏角为0.003°，微铣刀受到最大拉应力增加非常明显，数值为1 869 MPa。微铣刀材料为钨钴类硬质合金，该材料最大抗弯强度为1 840 MPa。由此可知，安装偏角为0.003°时，最大拉应力极值超过刀具最大抗弯强度，微铣刀发生破损失效。由仿真结果可知，安装偏心对微铣刀最大拉应力极值影响明显，随着安装偏角增加，最大拉应力极值急剧增加，故安装偏心是引起刀具破损失效的主要因素。仿真结果表明，直径0.5 mm硬质合金铣刀加工钛合金时，刀具安装偏角不宜大于0.002°。微铣削加工应选择具有高精度的主轴机床。

3 工艺参数对微铣刀最大拉应力极值的影响

微铣削工艺参数选择不合理会导致刀具发生破损失效，通过实验可以选出合理的工艺参数，但实验过程需要大量的成本和时间投入。本文通过建立微铣削仿真模型，研究微铣削钛合金的工艺参数对刀具破损失效的影响。改变仿真模型中铣削速度、每齿进给量和铣削深度，记录不同条件下微铣刀的最大拉应力极值。通过微铣刀最大拉应力极值的变化，判断微铣刀是否会出现破损失效，从而选择出合理的工艺参数。

3.1 进给量对最大拉应力极值的影响

模型中不变参数为铣削速度和铣削深度，仿真分析每齿进给量对微铣刀最大拉应力极值的影响规律，参数如表5所示。

表5 变每齿进给量工艺参数

每齿进给量对微铣刀最大拉应力极值影响如图5所示。由图5可知，随着每齿进给量的增加，微铣刀最大拉应力极值呈增加趋势。每齿进给量0.5 μm增加至1 μm时，最大拉应力极值增加速率最快，每齿进给量大于1 μm时，最大拉应力极值增速缓慢。每齿进给量为0.5 μm时，工件表面形貌如图6所示，铣削过程中没有材料去除，由此可知，每齿进给量0.5 μm小于微铣刀的最小切削厚度。当每齿进给量小于最小切削厚度值时，铣削时刀具为负前角，刀具与工件之间相互挤压，出现犁耕现象，无法去除工件材料[9]。当每齿进给量为1 μm时，最大拉应力极值为1 652 MPa，每齿进给量增加至3 μm时，最大拉应力极值变化不明显，数值为1 661 MPa。当每齿进给量为4 μm时，最大拉应力极值变化速率逐渐加快；每齿进给量为5 μm时，最大拉应力极值为1 831 MPa，接近刀具的抗弯强度1 840 MPa。由仿真可知，每齿进给量对微铣刀最大拉应力极值影响较小，当每齿进给量值小于微铣刀最小切削厚度时，会出现犁耕现象。直径0.5 mm硬质合金微铣刀加工钛合金时，每齿进给量选取区间为1～3 μm。

图5 每齿进给量和最大拉应力极值的影响

图6 每齿进给量0.5 μm时工件表面形貌图

3.2主轴转速对最大拉应力极值的影响

模型中不变参数为每齿进给量和铣削深度，仿真分析主轴转速对微铣刀最大拉应力极值的影响规律，工艺参数设置如表6所示。

表6 变转速工艺参数

主轴转速对微铣刀最大拉应力极值的影响曲线如图7所示。由图7可知,随着转速提高,微铣刀受到最大拉应力极值呈减小趋势。转速数值10 000 r/min时，最大拉应力极值为1 967 MPa，大于刀具抗弯强度1 840 MPa。主轴转速为30 000 r/min时，最大拉应力极值为1 834 MPa，略小于刀具抗弯强度；当主轴转速增加至50 000 r/min时，最大拉应力极值为1 661 MPa，减少速率最大。随着转速继续增加，最大拉应力极值减少量逐渐变缓，主轴转速为110 000 r/min时，最大拉应力极值为1 517 MPa。由仿真结果可知，微铣削过程中选择较高主轴转速，可防止刀具发生破损失效。直径0.5 mm硬质合金微铣刀加工钛合金时，主轴转速选取应大于50 000 r/min。

图7 主轴转速对最大拉应力极值的影响

3.3 铣削深度对最大拉应力极值的影响

模型中不变参数为主轴转速和每齿进给量，仿真分析铣削深度对微铣刀最大拉应力极值的影响规律，工艺参数设置如表7所示。

表7 变铣削深度工艺参数

铣削深度对微铣刀最大拉应力极值的影响曲线如图8所示。由图8可知,随着铣削深度增加,微铣刀受到最大拉应力极值逐渐增加。铣削深度为4 μm时，微铣刀受到最大拉应力极值为1 541 MPa；铣削深度为10 μm时，最大拉应力极值为1 733 MPa，最大拉应力极值增长速率相对缓慢。铣削深度为12 μm时，最大拉应力极值为1 807 MPa；铣削深度为14 μm时，最大拉应力极值为1 965 MPa，超过刀具的抗弯强度。铣削深度大于10 μm，最大拉应力极值增长速率增加明显。由图8曲线可知，铣削深度对最大拉应力极值影响明显，微铣削过程中选取较大的铣削深度，会导致刀具发生破损失效。直径0.5 mm硬质合金微铣刀加工钛合金时，铣削深度选取不宜大于10 μm。

图8 铣削深度对最大拉应力极值的影响

4 结 语

由仿真结果可知，安装偏心对微铣刀最大拉应力极值影响明显。随着安装偏角增加，最大拉应力极值急剧增加，故安装偏心是引起刀具破损失效的主要因素。直径0.5 mm硬质合金铣刀加工钛合金时，刀具安装偏角不宜大于0.002°。微铣削加工应选择具有高精度的主轴机床。

仿真结果表明，主轴转速和铣削深度对微铣刀最大拉应力影响明显，最大拉应力极值随主轴转速增加而减小，随着铣削深度增加而增加。每齿进给量对微铣刀最大拉应力极值影响较小，但每齿进给量不能小于微铣刀最小切削厚度。直径0.5 mm硬质合金铣刀加工钛合金时，每齿进给量宜选择区间为1～3 μm，主轴转速应大于50 000 r/min，铣削深度不宜大于10 μm。