金剛石具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，在微銑削難加工材料時(shí)被廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)金剛石是一種人造金剛石，其相對(duì)于天然金剛石具有容易制備、物理化學(xué)性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，故其成為微銑刀的理想涂層材料。

       因?yàn)橛绊懳姷都庸べ|(zhì)量的因素多而復(fù)雜，而采用CVD金剛石微銑刀加工通常要求較高的加工質(zhì)量，所以國內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響CVD金剛石微銑刀切削性能的因素進(jìn)行大量研究。英國Brunel大學(xué)超精密加工試驗(yàn)室開展的CVD金剛石微銑刀加工試驗(yàn)說明，在相同加工條件下，CVD金剛石微銑刀比普通硬質(zhì)合金刀具加工質(zhì)量更高，壽命更長。韓國Yeungnam大學(xué)的科研人員通過開展金剛石涂層微刀具單晶硅微細(xì)加工試驗(yàn)探究涂層微刀具加工過程中切屑生成機(jī)理。俄羅斯Ralchenko V.G.利用微波等離子體法制備出CVD金剛石，通過原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量金剛石的三維形貌并探究其斷裂模式。美國UW-Madison的科研人員進(jìn)行了CVD金剛石微銑刀6061鋁合金加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在高速干切條件下，鋁對(duì)刀具表面附著率低，加工質(zhì)量好，刀具的摩擦學(xué)性能和切削性能優(yōu)異。對(duì)氧化鋯的加工試驗(yàn)表明，具有無定型陶瓷中間層的CVD金剛石刀具表現(xiàn)出良好的切削性能。

       CVD金剛石微銑刀在應(yīng)用中容易產(chǎn)生損傷失效，前述研究缺乏對(duì)CVD金剛石微刀具切削參數(shù)綜合影響分析，未能對(duì)CVD金剛石的損傷進(jìn)行研究。本文采用擴(kuò)展有限元法對(duì)CVD金剛石微刀具切削過程及損傷應(yīng)力進(jìn)行仿真，探究微細(xì)切削參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，并通過試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

       1  仿真部分

       (1)仿真模型建立

       CVD金剛石微銑刀及銑削仿真的三維模型見圖1，刀具的幾何參數(shù)見表1。工件模型尺寸為4mm×2mm×2mm，將建立的刀具和工件模型集成在ABAQUS軟件中，仿真模型如圖1c所示。

(a)刀具模型   (b)刀尖部位模型   (c)仿真模型

圖1  三維銑削仿真中的刀具和工件模型

       仿真模型中設(shè)定工件材料為TC4(Ti6Al4V)，并確定其相應(yīng)的材料力學(xué)特性參數(shù)。對(duì)于材料的塑性參數(shù)，本文選用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型。仿真模型中設(shè)定刀具為剛體，工件底面采用完全約束，用銑刀繞自身軸線旋轉(zhuǎn)來模擬主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，銑刀沿工件長度方向橫向運(yùn)動(dòng)模擬刀具進(jìn)給，銑刀其它自由度完全被約束。采用C3D4單元對(duì)銑刀進(jìn)行掃略式網(wǎng)格劃分，C3D8R單元對(duì)工件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在ABAQUS中進(jìn)行接觸參數(shù)設(shè)置時(shí)，設(shè)定刀具與工件間為面面接觸，利用罰函數(shù)法進(jìn)行約束。設(shè)定切屑和刀具前刀面接觸區(qū)采用修正庫侖摩擦定律模型，切屑與工件的分離準(zhǔn)則為物理準(zhǔn)則。

表1  微銑刀的幾何參數(shù)

       在CVD金剛石微刀具的切削仿真中，刀具基底材料為YG6硬質(zhì)合金，CVD涂層厚度設(shè)置為10μm，刀具材料屬性見表2。考慮到銑削過程中微銑刀刀尖部分會(huì)發(fā)生扭曲變形，故對(duì)該部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，微銑刀的其余部分采用自由網(wǎng)格劃分。利用建立的微銑削加工仿真模型獲得切削力隨時(shí)間變化曲線如圖2a所示。為了模擬真實(shí)加工中的受載情況，研究微銑刀的應(yīng)力損傷行為，對(duì)微銑刀刀桿施加完全約束，在切削刃處的前刀面、后刀面、副后刀面上的三角形區(qū)域施加微銑削加工仿真中獲得的各方向上的平均切削力，加載方式見圖2b。

表2  仿真中刀具材料的屬性

(a)切削力變化曲線         (b)刀具加載方式

圖2  切削力變化曲線及刀具加載方式

       (2)仿真結(jié)果分析

       選用不同的切削參數(shù)進(jìn)行微銑削加工仿真和刀具損傷仿真，通過工件形貌、刀具受力狀況、切削力變化情況來評(píng)價(jià)刀具的切削性能。圖3為切削速度Vc為50mm/min、每齒進(jìn)給量fz為4μm時(shí)，在三種銑削深度下工件表面形貌仿真結(jié)果。由圖可知，隨著銑削深度的增加，銑槽側(cè)壁毛刺量不斷增加，工件表面質(zhì)量急劇下降。這是由于隨著銑削深度的增加，刀具單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積增大。當(dāng)去除材料體積大于微銑刀的容屑體積時(shí)，未及時(shí)排出的切屑會(huì)在側(cè)壁上形成毛刺。

(a)ap=5μm                   (b)ap=10μm

(c)ap=15μm

圖3  不同銑削深度下工件表面形貌仿真結(jié)果

       圖4為不同銑削深度下刀具應(yīng)力仿真結(jié)果。由圖可知，隨著銑削深度增加，刀面所受應(yīng)力值增加，應(yīng)力集中區(qū)域在刀面上擴(kuò)展形狀近似為三角形，在前刀面上有應(yīng)力集中區(qū)域，且最大應(yīng)力集中區(qū)域位于金剛石層與硬質(zhì)合金層的界面處。刀具受到的應(yīng)力是其產(chǎn)生損傷失效的主要因素，這種應(yīng)力集中對(duì)微刀具的損傷裂紋將產(chǎn)生重要的影響。

(a)ap=5μm                    (b)ap=10μm

(c)ap=15μm

圖4  不同銑削深度下刀具應(yīng)力仿真結(jié)果

       圖5是切削力和刃尖節(jié)點(diǎn)最大位移隨銑削深度變化曲線。圖5a為切削力隨銑削深度變化曲線，切削力隨著銑削深度的增加而增加，變化速度不斷加快，并且曲線末段相對(duì)于初段明顯上揚(yáng)，在ap=10μm附近發(fā)生轉(zhuǎn)折。經(jīng)分析可知，銑削深度增大加劇了刀具與工件間的耕犁與摩擦，切削刃去除材料需克服阻力變大，切削力變大。在ap<10μm時(shí)，切削力數(shù)值相對(duì)較小，刀具壽命長，有利于獲得高質(zhì)量的加工表面；在ap>10μm時(shí)，刀具由于切削力增大而更容易失效。圖5b為刃尖節(jié)點(diǎn)最大位移隨銑削深度變化曲線，刃尖最大位移隨銑削深度增大而變大，并且上升速率不斷加快。綜上可知，銑削深度對(duì)刀具的失效產(chǎn)生重要影響。

圖5  切削力和刃尖節(jié)點(diǎn)最大位移隨銑削深度變化曲線

       圖6是銑削深度ap為10μm、切削速度Vc為50m/min時(shí)，不同每齒進(jìn)給量下工件表面形貌仿真結(jié)果。由圖可知，在每齒進(jìn)給量fz為2μm和4μm時(shí)，銑槽側(cè)壁有少量毛刺產(chǎn)生，銑槽底面無明顯波紋，工件表面質(zhì)量較好。在每齒進(jìn)給量fz為6μm時(shí)，銑槽一側(cè)有大量不規(guī)則撕裂狀毛刺，工件表面質(zhì)量變差。這是由于隨著進(jìn)給量增大，單位銑削長度下材料去除量增大，切削刃與工件間的耕犁與擠壓加劇，發(fā)生塑性變形材料增多。

(a)fz=2μm                      (b)fz=4μm

(c)fz=6μm

圖6  不同每齒進(jìn)給量下工件表面形貌仿真結(jié)果

       圖7為不同每齒進(jìn)給量下刀具應(yīng)力仿真結(jié)果。由圖可知，隨著每齒進(jìn)給量的增大，刀具所受的最大應(yīng)力值變大，應(yīng)力集中區(qū)域面積也增大，但是相對(duì)于銑削深度的變化，不同每齒進(jìn)給量之間的最大應(yīng)力差距較小。

(a)fz=2μm                      (b)fz=4μm/z

(c)fz=6μm/z

圖7  不同每齒進(jìn)給量下刀具應(yīng)力仿真結(jié)果

       圖8為上述切削參數(shù)條件下切削力和刃尖節(jié)點(diǎn)最大位移隨每齒進(jìn)給量變化曲線。由圖8a可知，每齒進(jìn)給量增大，切削力先穩(wěn)速上升，在末段有所放緩。每齒進(jìn)給量越大，銑刀每轉(zhuǎn)銑削距離越大，切削刃與工件擠壓碰撞次數(shù)越多，切削力越大。對(duì)比圖8a與圖5a可得，相對(duì)于銑削深度，切削力隨每齒進(jìn)給量變化曲線的上升速度與變化范圍都較小，每齒進(jìn)給量對(duì)切削力變化影響較小。由圖8b可知，刀尖節(jié)點(diǎn)最大位移隨每齒進(jìn)給量的增加而增加，加快了刀具的失效速度。綜合上述分析結(jié)果可知，在現(xiàn)有仿真條件下，每齒進(jìn)給量對(duì)刀具失效的影響略低于銑削深度對(duì)刀具失效的影響。

圖8  切削力和刃尖節(jié)點(diǎn)最大位移隨每齒進(jìn)給量變化曲線

       圖9為銑削深度ap為10μm、每齒進(jìn)給量fz為4μm時(shí)，不同切削速度下的仿真結(jié)果。由圖可知，在不同切削速度下，銑槽壁都有較少的毛刺產(chǎn)生，工件表面質(zhì)量較高，由于在仿真過程中未考慮主軸振動(dòng)刀具振顫等因素的影響，所以總體上銑削速度增高對(duì)工件加工質(zhì)量影響較小。

       圖10中在不同銑削速度下，刀具最大應(yīng)力值有較小的波動(dòng)幅度，說明其受力情況相近。

(a)Vc=30m/min              (b)Vc=50m/min

(c)Vc=70m/min

圖9  不同銑削速度下工件表面形貌仿真結(jié)果

(a)Vc=30m/min              (b)Vc=50m/min

(c)Vc=70m/min

圖10  不同銑削速度下刀具應(yīng)力仿真結(jié)果

       圖11a為切削力隨銑削速度變化曲線。隨著銑削速度的增大，切削力先增大，然后穩(wěn)定到某一數(shù)值。在低速銑削時(shí)，刀具與工件在單位時(shí)間內(nèi)接觸少、受沖擊載荷小，故切削力較小。隨著銑削速度的提高，切削力逐漸變大，但由于材料去除效率不會(huì)無限增大，故切削力最終穩(wěn)定在某一數(shù)值，此時(shí)工件有較好的加工質(zhì)量。綜上可知，銑削速度對(duì)刀具失效的影響較小。

       2  微細(xì)銑削試驗(yàn)

         (1)試驗(yàn)方案

         為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，開展TC4鈦合金的微細(xì)銑削試驗(yàn)。試驗(yàn)采用商業(yè)化的平底二刃CVD金剛石微銑刀，工件材料為TC4鈦合金。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制的五軸微細(xì)加工機(jī)床進(jìn)行微細(xì)銑削加工試驗(yàn)。

       采用瑞士Kistler公司9257B三向測(cè)力儀測(cè)量切削力，采用KEYENCE的VHX-1000超景深三維顯微鏡觀察工件表面形貌，采用OLYMPUS OLS3000激光共聚焦顯微鏡測(cè)量工件表面三維形貌與粗糙度。每組試驗(yàn)銑削3個(gè)長度10mm的微槽，試驗(yàn)中通過測(cè)量CVD金剛石微銑刀加工TC4鈦合金時(shí)切削力和工件表面粗糙度的變化對(duì)CVD金剛石微刀具的切削性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖11  切削力和刃尖節(jié)點(diǎn)最大位移與銑削速度變化曲線

       (2)微細(xì)銑削的切削力分析

       圖12為切削力隨加工參數(shù)變化曲線。圖12a為主軸轉(zhuǎn)速20000r/min、進(jìn)給速度12mm/min時(shí)軸向切削深度與切削力變化曲線?？梢?，銑削深度增大，切削力也增大，且增速逐漸加快，與仿真結(jié)果相符。在銑削過程中，進(jìn)給速度增大時(shí)，切削力會(huì)因切削刃與工件間的摩擦擠壓作用加劇而增大。圖12b中進(jìn)給速度與切削力變化曲線驗(yàn)證了該結(jié)論。銑削過程中，主軸轉(zhuǎn)速的提高會(huì)導(dǎo)致機(jī)床加工振動(dòng)增加，刀具受到?jīng)_擊載荷增加而使切削力增加。圖12c為進(jìn)給速度12mm/min、切削深度取5μm時(shí)主軸轉(zhuǎn)速與切削力變化曲線。該圖說明隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，三向切削力均增加，且增速不斷放緩，并有下降趨勢(shì)，這與仿真結(jié)果相符。

(a)軸向切削深度                (b)進(jìn)給速度

(c)主軸轉(zhuǎn)速

圖12  切削力隨加工參數(shù)的變化曲線

       (3)不同加工參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響分析

       將CVD金剛石微刀具微細(xì)銑削TC4鈦合金的工件表面粗糙度在顯微鏡下進(jìn)行測(cè)量分析。圖13是主軸轉(zhuǎn)速20000r/min、進(jìn)給速度12mm/min時(shí)，不同軸向切削深度下工件的表面形貌圖。在軸向切削深度不大于10μm時(shí)，銑槽兩側(cè)毛刺較少，工件表面質(zhì)量較高，進(jìn)一步增大軸向切削深度時(shí)，銑槽兩側(cè)毛刺增多，以鋸齒狀粘附在工件表面上，工件表面質(zhì)量急劇下降。測(cè)量獲得的已加工表面粗糙度隨軸向切削深度的變化規(guī)律也說明了該現(xiàn)象。

圖13  不同軸向切削深度下的工件表面形貌

       圖14是主軸轉(zhuǎn)速取20000r/min、軸向切削深度取5μm時(shí)，不同進(jìn)給速度下工件的表面形貌。由圖可知，在進(jìn)給速度小于20mm/min時(shí)，工件表面質(zhì)量較好，無明顯毛刺產(chǎn)生。當(dāng)進(jìn)給速度進(jìn)一步增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)材料的去除量增加，未能及時(shí)排出的切屑一方面殘留在銑槽邊緣惡化加工質(zhì)量，另一方面落入槽底的切屑對(duì)槽底產(chǎn)生灼傷。已加工表面粗糙度隨軸向切削深度的變化測(cè)量結(jié)果表明：隨著進(jìn)給速度的增加，已加工表面粗糙度值增大。

圖14  不同進(jìn)給速度下的工件表面形貌

       圖15是進(jìn)給速度12mm/min、軸向切削深度5μm時(shí)，不同主軸轉(zhuǎn)速下工件的表面形貌。在圖15的轉(zhuǎn)速下，微槽有較少毛刺，其三維形貌都比較平整。主軸轉(zhuǎn)速的增加加劇了刀具和工件的擠壓和摩擦，工件表面質(zhì)量會(huì)變差，故已加工表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。然而，單位進(jìn)給量下刀具切削次數(shù)也會(huì)隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，工件表面質(zhì)量會(huì)得到改善，故在主軸轉(zhuǎn)速大于30000r/min時(shí)，表面粗糙度的增加變緩。

圖15  不同主軸轉(zhuǎn)速下的工件表面形貌

       對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)和仿真得到的工件的毛刺變化相近，加工過程中切削力的變化規(guī)律也相近。忽略試驗(yàn)過程中不確定因素和測(cè)量誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，可以認(rèn)為仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致。

       小結(jié)

       (1)CVD金剛石微銑刀銑削TC4鈦合金時(shí)，刀具表面將產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，這將成為刀具產(chǎn)生應(yīng)力損傷進(jìn)而失效的重要因素。

       (2)微銑削加工和刀具裂紋損傷失效仿真結(jié)果表明：在CVD金剛石微銑刀銑削TC4鈦合金時(shí)，銑削深度和每齒進(jìn)給量的增加會(huì)使工件的毛刺增加，銑削速度的變化對(duì)工件加工質(zhì)量影響較小。銑削深度是影響刀具失效的主要因素，銑削速度和每齒進(jìn)給量是影響刀具失效的次要因素。

       (3)采用仿真獲得的銑削深度和每齒進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量影響較大，銑削速度對(duì)工件加工質(zhì)量影響較小的加工參數(shù)變化規(guī)律，通過微細(xì)銑削加工試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。