计算机模拟技术支持的微型铣削刀具研发

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计算机模拟技术支持的微型铣削刀具研发
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% Y1 Z6 t! W# s7 ], B来源：MM现代制造

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, O8 M" J# F2 f0 S  L实践表明：目前所有的微型铣刀在不断增加的微型化应用中都已达到了极限。其明显的信号就是：微型铣刀只能在一定程度上承受切削力，形成有效的切削，而且生产过程中其他的一些影响因素也具有越来越重要的意义。例如，微型铣刀对装夹时的偏心比大型铣刀敏感。当微型铣刀的尺寸进一步减小时，则会给微型铣削过程带来严重的负面影响。

目前所用微型铣刀中的同一个不足之处是：圆跳动精度不够高（图1）。之所以如此，一方面是因为微型铣刀加工时所要求的转速太高；另一方面，总的圆跳动误差是由导杆、夹具和微型铣刀本身三方面的圆跳动误差累计起来的总和。尤其是在总的圆跳动误差（也就是所谓的切削刃偏移）超过了每齿的进给量。在这种情况下，一个两齿的铣刀可能就只有一个齿在切削，这种超负荷能够明显的缩短微型铣刀的使用寿命。为了能够有效解决这个问题，人们利用计算机模拟技术专门研发了一种微型的单齿铣刀，它是一种能够规定每齿进给量的微型铣刀。
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图1 目前所用微型铣刀中的同一个不足之处是：圆跳动精度不够高

0 t6 Q! S- d0 V: a作为微型铣刀结构优化的工具，人们选择了Abaqus公司的FE软件Abaqus。利用这款软件对不同几何结构的微型铣刀负荷状况进行了模拟分析，对不同几何结构的单齿微型铣刀的应力分布和能够承受的最大跳动进行了比较。对比试验时，使用的微型铣刀直径为300μm。三种不同的结构形式如图2所示。每个铣刀的变形形式都进行了多次模拟试验，以便使模拟尽可能的接近生产实际。首先是对微型铣刀偏心部分质量的离心力和刀具的转速进行了试验，随后对微型铣刀切削时的切削力进行了模拟，即对主后刀面、副后刀面和前刀面各自的受力情况进行了模拟分析，最后对它们形成的合力进行了分析。在进一步的模拟试验中，还考虑了离心力和切削力综合作用的结果。为了保障由切削力引起的应力能够准确的反应在切削区域内，在主切削刃、副切削刃和前刀面处还制定了更加细致的用于有限元应力分析的网格（图3）。

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6 |- [' ^1 R1 L# J4 e! v# f图2 不同几何结构的微型铣刀的机械性结构模拟对比

" S, @4 O/ p* B- u9 ?1 Q+ U& _半圆形几何结构拥有更高刚性

与梯形几何形状（图2a和2b）的微型铣刀相比较，半圆形（图2c）横截面的微型铣刀的强度要高30%。因此，在切削加工时有着比图2c形微型铣刀更小的几何偏移量，从而能够更好更精确的完成工件的加工。

在下一步的试验中，将利用FEM有限元模拟软件来模拟、分析其效率的高低。试验时，刀具直径300μm的微型铣刀按不同的大小（150μm、125μm、100μm、75μm、50μm和30μm）成比例缩小，对不同直径的微型铣刀受到的离心力和切削力进行试验。模拟技术使得不同直径微型铣刀的比较成为可能。铣刀刀具偏移量的观察分析表明：随着微型铣刀直径的减小，离心力的影响也减小。另外，对微型铣刀偏心装夹在机床上的作用效果也进行了试验。这个试验的目的在于得出有说服力的偏心量允差。实验时，微型铣刀的旋转轴线以1μm为单位，沿不同方向进行偏移，最大偏移量为3μm（沿轴线位置和X、Y轴的负方向以及45、135方向）。试验结果表明：偏心装夹对微型铣刀的影响是不能忽略不计的。
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图3 微型铣刀模拟时的网状划分
a为未建立网状系统的CAD模型，b为网状划分后的微型铣刀

对刀具结构设计有帮助
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4 _: `* }7 Y  G$ c- w4 Z利用FEM有限元模拟软件进行的模拟表明：模拟技术对微型铣刀的研发和结构设计是很有帮助的。在微型铣刀的计算机模型中考虑了所有必要的边界条件之后，则有可能就微型铣刀应力优化时的几何形状给出有说服力的答案。另外，FEM有限元模拟方法还能得出一般试验无法得出的或是需要付出很大代价才能得出的参数数据，如由于微型铣刀偏心装夹引起的跳动量。
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计算机模拟支持的微型铣刀研发伴随着铣刀样品生产的全过程，在铣削试验中对微型铣刀样品进行验证，从而确认模拟的结果。微型铣刀的生产制造采用电火花腐蚀加工工艺，它在生产制造这种微型铣刀时有着明显的优势，它不受被加工工件硬度的影响，可以用硬质合金材料加工微型铣刀。除此以外，电火花腐蚀加工还是一个几乎没有切削力的加工技术，从而可以保证细部结构非常高的精确性，从而提高被加工零件，也就是微型铣刀的结构精度。
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由于在微型铣刀的生产加工中涉及到的是从圆柱形的铣刀毛坯中加工出铣刀的结构形状，因此选择了电火花腐蚀加工技术中的一种变型工艺技术——线切割进行微型铣刀的加工。在线切割中，电火花的腐蚀是在连续运动的切割丝电极中进行的，由于切割丝在不断的运动，因此腐蚀过程中不断进入切割过程的新切割丝避免了其腐蚀过程中的损耗，这在保证很高的尺寸精度和生产加工的重复精度方面有着重要的意义。
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  T9 Z1 J; F, O1 J! R微型铣刀是在专门为加工高精度产品而研发设计的Sarix SX 100型线切割机床上制造出来的。为了保证线切割过程的稳定性，使用的切割丝的直径为100μm。同时，还专门研发制造了能够检测不同前角切削力所需的梯形结构。最主要的线切割任务是微型铣刀螺旋槽形几何结构的切割，在微型铣刀螺旋槽的线切割过程中，铣刀圆柱形硬质合金毛坯（EMT100）的直径只有3mm，之所以采用这么小直径的毛坯材料主要是由线切割机床的SK-10的夹具所决定的。
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微型铣刀的线切割加工共分三个加工工序。在第一道加工工序中，微型铣刀的螺旋槽由特制的成型切割丝采用垂直进给的方式加工而成，后刀面不能用线切割加工出来，因为后刀面的加工是由旋转运动和直进运动复合而成的运动。微型铣刀线切割加工的第二个工序是副后刀面的切割加工，此时的切割丝运动就已经是一个两坐标方向的运动了。微型铣刀最后一个线切割加工工序是切割出铣刀切削刃的基本几何形状（图4）。在这个线切割工序中，将利用切割丝加工出相互呈36的微型铣刀切削刃沟槽。每切削一条沟槽，刀具毛坯都要根据切割丝进行一次定位和垂直下降的切削。根据这样的线切割工艺，直径为300μm的微型铣刀被一步步的加工制造出来。铣刀前端切削刃的副后角为10，通过对微型铣刀制造加工工艺流程的优化，最后可以加工出来的铣刀直径只有50μm。

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$ O; |: S" G" a' F8 A! M磨削出更加锋利的切削刃
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螺旋状的铣刀外形最后还要经过一道磨削加工，因为磨削之后铣刀的切削刃将有更好的表面质量和更加锋利的切削刃。在磨削时，Abaqus公司与Zecha硬质合金刀具有限责任公司一起对微型铣刀的磨削工艺进行了适应性调整，以便能够对微型铣刀进行磨削。在完成磨削技术的适应性调整后，就在高精度的Rollmatic Smart Grind Mano 6型工具磨床上对微型铣刀进行磨削，图5所示为线切割和磨削加工后微型铣刀切削刃部的比较。

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图5 EMT 100材料的单刃微型铣刀，a图为磨削，b图为线切割加工

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在测定这种方式生产制造出来的微型铣刀的切削性能时，用X38CrMoV5-1材料进行了多次铣削试验。微型铣刀按照大批量生产的方式进行了磨削，有着很高的表面质量以及轮廓精度，对零件加工公差的影响降低到了最低。其最大的特点是切削刃倒圆比线切割要小很多。这种直径300μm的微型铣刀变型刀具铣削时的切削速度为ap=20μm，转速n=1000r/min，每齿进给量为fz=13μm。与线切割的微型铣刀相比较，这种磨削后的微型铣刀在加工时的毛刺明显的得到了改进。同样，后角在3.5～7之间的变型品种和前角由10°增大到20～30时的变型品种的铣削毛刺情况也都有所改善。在单刃和市场上常见的双刃微型铣刀切削力检测的比较中，单刃微型铣刀切削力峰值更加均匀，明显的优于双刃铣刀。

双刃微型铣刀由于同轴度误差而引起的切屑厚度不一致和与此有关的切削刃受到的切削力变化等都可以避免。

# G4 M1 A3 f) a% p/ J2 ?9 K) ~在不同刀具材料的对比试验中，如利用EMT 100材料、EZ 44和EZ 61等材料进行的对比试验中，EZ 61产生的切削力相对最小。另外，铣刀的刀面都进行了镀层处理，并在切削试验时得到了验证。与没有镀层材料的微型铣刀相比，其切削力没有提高，因为镀层厚度很薄，不到1μm，由镀层而带来的切削刃倒圆半径增大可以因摩擦系数的减小而得以补偿。(end)