超硬材料网

        金刚石具有良好的物理化学性质，在微铣削难加工材料时被广泛应用。化学气相沉积(CVD)金刚石是一种人造金刚石，其相对于天然金刚石具有容易制备、物理化学性能优异、经济性好等特点，故其成为微铣刀的理想涂层材料。

       因为影响微铣刀加工质量的因素多而复杂，而采用CVD金刚石微铣刀加工通常要求较高的加工质量，所以国内外学者对影响CVD金刚石微铣刀切削性能的因素进行大量研究。英国Brunel大学超精密加工试验室开展的CVD金刚石微铣刀加工试验说明，在相同加工条件下，CVD金刚石微铣刀比普通硬质合金刀具加工质量更高，寿命更长。韩国Yeungnam大学的科研人员通过开展金刚石涂层微刀具单晶硅微细加工试验探究涂层微刀具加工过程中切屑生成机理。俄罗斯Ralchenko V.G.利用微波等离子体法制备出CVD金刚石，通过原子力显微镜(AFM)测量金刚石的三维形貌并探究其断裂模式。美国UW-Madison的科研人员进行了CVD金刚石微铣刀6061铝合金加工试验，试验结果表明，在高速干切条件下，铝对刀具表面附着率低，加工质量好，刀具的摩擦学性能和切削性能优异。对氧化锆的加工试验表明，具有无定型陶瓷中间层的CVD金刚石刀具表现出良好的切削性能。

       CVD金刚石微铣刀在应用中容易产生损伤失效，前述研究缺乏对CVD金刚石微刀具切削参数综合影响分析，未能对CVD金刚石的损伤进行研究。本文采用扩展有限元法对CVD金刚石微刀具切削过程及损伤应力进行仿真，探究微细切削参数对工件表面质量的影响，并通过试验对仿真结果进行验证。

       1  仿真部分

       (1)仿真模型建立

       CVD金刚石微铣刀及铣削仿真的三维模型见图1，刀具的几何参数见表1。工件模型尺寸为4mm×2mm×2mm，将建立的刀具和工件模型集成在ABAQUS软件中，仿真模型如图1c所示。

(a)刀具模型   (b)刀尖部位模型   (c)仿真模型

图1  三维铣削仿真中的刀具和工件模型

       仿真模型中设定工件材料为TC4(Ti6Al4V)，并确定其相应的材料力学特性参数。对于材料的塑性参数，本文选用Johnson-Cook材料本构模型。仿真模型中设定刀具为刚体，工件底面采用完全约束，用铣刀绕自身轴线旋转来模拟主轴转动，铣刀沿工件长度方向横向运动模拟刀具进给，铣刀其它自由度完全被约束。采用C3D4单元对铣刀进行扫略式网格划分，C3D8R单元对工件进行结构化网格划分。在ABAQUS中进行接触参数设置时，设定刀具与工件间为面面接触，利用罚函数法进行约束。设定切屑和刀具前刀面接触区采用修正库仑摩擦定律模型，切屑与工件的分离准则为物理准则。

表1  微铣刀的几何参数

       在CVD金刚石微刀具的切削仿真中，刀具基底材料为YG6硬质合金，CVD涂层厚度设置为10μm，刀具材料属性见表2。考虑到铣削过程中微铣刀刀尖部分会发生扭曲变形，故对该部分进行结构化网格划分，微铣刀的其余部分采用自由网格划分。利用建立的微铣削加工仿真模型获得切削力随时间变化曲线如图2a所示。为了模拟真实加工中的受载情况，研究微铣刀的应力损伤行为，对微铣刀刀杆施加完全约束，在切削刃处的前刀面、后刀面、副后刀面上的三角形区域施加微铣削加工仿真中获得的各方向上的平均切削力，加载方式见图2b。

表2  仿真中刀具材料的属性

(a)切削力变化曲线         (b)刀具加载方式

图2  切削力变化曲线及刀具加载方式

       (2)仿真结果分析

       选用不同的切削参数进行微铣削加工仿真和刀具损伤仿真，通过工件形貌、刀具受力状况、切削力变化情况来评价刀具的切削性能。图3为切削速度Vc为50mm/min、每齿进给量fz为4μm时，在三种铣削深度下工件表面形貌仿真结果。由图可知，随着铣削深度的增加，铣槽侧壁毛刺量不断增加，工件表面质量急剧下降。这是由于随着铣削深度的增加，刀具单位时间内去除材料的体积增大。当去除材料体积大于微铣刀的容屑体积时，未及时排出的切屑会在侧壁上形成毛刺。

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

(c)ap=15μm

图3  不同铣削深度下工件表面形貌仿真结果

       图4为不同铣削深度下刀具应力仿真结果。由图可知，随着铣削深度增加，刀面所受应力值增加，应力集中区域在刀面上扩展形状近似为三角形，在前刀面上有应力集中区域，且最大应力集中区域位于金刚石层与硬质合金层的界面处。刀具受到的应力是其产生损伤失效的主要因素，这种应力集中对微刀具的损伤裂纹将产生重要的影响。

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

(c)ap=15μm

图4  不同铣削深度下刀具应力仿真结果

       图5是切削力和刃尖节点最大位移随铣削深度变化曲线。图5a为切削力随铣削深度变化曲线，切削力随着铣削深度的增加而增加，变化速度不断加快，并且曲线末段相对于初段明显上扬，在ap=10μm附近发生转折。经分析可知，铣削深度增大加剧了刀具与工件间的耕犁与摩擦，切削刃去除材料需克服阻力变大，切削力变大。在ap<10μm时，切削力数值相对较小，刀具寿命长，有利于获得高质量的加工表面；在ap>10μm时，刀具由于切削力增大而更容易失效。图5b为刃尖节点最大位移随铣削深度变化曲线，刃尖最大位移随铣削深度增大而变大，并且上升速率不断加快。综上可知，铣削深度对刀具的失效产生重要影响。

图5  切削力和刃尖节点最大位移随铣削深度变化曲线

       图6是铣削深度ap为10μm、切削速度Vc为50m/min时，不同每齿进给量下工件表面形貌仿真结果。由图可知，在每齿进给量fz为2μm和4μm时，铣槽侧壁有少量毛刺产生，铣槽底面无明显波纹，工件表面质量较好。在每齿进给量fz为6μm时，铣槽一侧有大量不规则撕裂状毛刺，工件表面质量变差。这是由于随着进给量增大，单位铣削长度下材料去除量增大，切削刃与工件间的耕犁与挤压加剧，发生塑性变形材料增多。

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

(c)fz=6μm

图6  不同每齿进给量下工件表面形貌仿真结果

       图7为不同每齿进给量下刀具应力仿真结果。由图可知，随着每齿进给量的增大，刀具所受的最大应力值变大，应力集中区域面积也增大，但是相对于铣削深度的变化，不同每齿进给量之间的最大应力差距较小。

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

(c)fz=6μm/z

图7  不同每齿进给量下刀具应力仿真结果

       图8为上述切削参数条件下切削力和刃尖节点最大位移随每齿进给量变化曲线。由图8a可知，每齿进给量增大，切削力先稳速上升，在末段有所放缓。每齿进给量越大，铣刀每转铣削距离越大，切削刃与工件挤压碰撞次数越多，切削力越大。对比图8a与图5a可得，相对于铣削深度，切削力随每齿进给量变化曲线的上升速度与变化范围都较小，每齿进给量对切削力变化影响较小。由图8b可知，刀尖节点最大位移随每齿进给量的增加而增加，加快了刀具的失效速度。综合上述分析结果可知，在现有仿真条件下，每齿进给量对刀具失效的影响略低于铣削深度对刀具失效的影响。

图8  切削力和刃尖节点最大位移随每齿进给量变化曲线

       图9为铣削深度ap为10μm、每齿进给量fz为4μm时，不同切削速度下的仿真结果。由图可知，在不同切削速度下，铣槽壁都有较少的毛刺产生，工件表面质量较高，由于在仿真过程中未考虑主轴振动刀具振颤等因素的影响，所以总体上铣削速度增高对工件加工质量影响较小。

       图10中在不同铣削速度下，刀具最大应力值有较小的波动幅度，说明其受力情况相近。

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

(c)Vc=70m/min

图9  不同铣削速度下工件表面形貌仿真结果

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

(c)Vc=70m/min

图10  不同铣削速度下刀具应力仿真结果

       图11a为切削力随铣削速度变化曲线。随着铣削速度的增大，切削力先增大，然后稳定到某一数值。在低速铣削时，刀具与工件在单位时间内接触少、受冲击载荷小，故切削力较小。随着铣削速度的提高，切削力逐渐变大，但由于材料去除效率不会无限增大，故切削力最终稳定在某一数值，此时工件有较好的加工质量。综上可知，铣削速度对刀具失效的影响较小。

       2  微细铣削试验

         (1)试验方案

         为了验证仿真结果的正确性，开展TC4钛合金的微细铣削试验。试验采用商业化的平底二刃CVD金刚石微铣刀，工件材料为TC4钛合金。在哈尔滨工业大学自主研制的五轴微细加工机床进行微细铣削加工试验。

       采用瑞士Kistler公司9257B三向测力仪测量切削力，采用KEYENCE的VHX-1000超景深三维显微镜观察工件表面形貌，采用OLYMPUS OLS3000激光共聚焦显微镜测量工件表面三维形貌与粗糙度。每组试验铣削3个长度10mm的微槽，试验中通过测量CVD金刚石微铣刀加工TC4钛合金时切削力和工件表面粗糙度的变化对CVD金刚石微刀具的切削性能进行评价。

图11  切削力和刃尖节点最大位移与铣削速度变化曲线

       (2)微细铣削的切削力分析

       图12为切削力随加工参数变化曲线。图12a为主轴转速20000r/min、进给速度12mm/min时轴向切削深度与切削力变化曲线。可见，铣削深度增大，切削力也增大，且增速逐渐加快，与仿真结果相符。在铣削过程中，进给速度增大时，切削力会因切削刃与工件间的摩擦挤压作用加剧而增大。图12b中进给速度与切削力变化曲线验证了该结论。铣削过程中，主轴转速的提高会导致机床加工振动增加，刀具受到冲击载荷增加而使切削力增加。图12c为进给速度12mm/min、切削深度取5μm时主轴转速与切削力变化曲线。该图说明随着主轴转速的提高，三向切削力均增加，且增速不断放缓，并有下降趋势，这与仿真结果相符。

(a)轴向切削深度                (b)进给速度

(c)主轴转速

图12  切削力随加工参数的变化曲线

       (3)不同加工参数对工件表面质量的影响分析

       将CVD金刚石微刀具微细铣削TC4钛合金的工件表面粗糙度在显微镜下进行测量分析。图13是主轴转速20000r/min、进给速度12mm/min时，不同轴向切削深度下工件的表面形貌图。在轴向切削深度不大于10μm时，铣槽两侧毛刺较少，工件表面质量较高，进一步增大轴向切削深度时，铣槽两侧毛刺增多，以锯齿状粘附在工件表面上，工件表面质量急剧下降。测量获得的已加工表面粗糙度随轴向切削深度的变化规律也说明了该现象。

图13  不同轴向切削深度下的工件表面形貌

       图14是主轴转速取20000r/min、轴向切削深度取5μm时，不同进给速度下工件的表面形貌。由图可知，在进给速度小于20mm/min时，工件表面质量较好，无明显毛刺产生。当进给速度进一步增大时，单位时间内材料的去除量增加，未能及时排出的切屑一方面残留在铣槽边缘恶化加工质量，另一方面落入槽底的切屑对槽底产生灼伤。已加工表面粗糙度随轴向切削深度的变化测量结果表明：随着进给速度的增加，已加工表面粗糙度值增大。

图14  不同进给速度下的工件表面形貌

       图15是进给速度12mm/min、轴向切削深度5μm时，不同主轴转速下工件的表面形貌。在图15的转速下，微槽有较少毛刺，其三维形貌都比较平整。主轴转速的增加加剧了刀具和工件的挤压和摩擦，工件表面质量会变差，故已加工表面粗糙度随主轴转速的增大而增大。然而，单位进给量下刀具切削次数也会随主轴转速的增大而增大，工件表面质量会得到改善，故在主轴转速大于30000r/min时，表面粗糙度的增加变缓。

图15  不同主轴转速下的工件表面形貌

       对比试验结果和仿真结果可以发现，试验和仿真得到的工件的毛刺变化相近，加工过程中切削力的变化规律也相近。忽略试验过程中不确定因素和测量误差对试验结果产生的影响，可以认为仿真结果和试验结果一致。

       小结

       (1)CVD金刚石微铣刀铣削TC4钛合金时，刀具表面将产生应力集中区，这将成为刀具产生应力损伤进而失效的重要因素。

       (2)微铣削加工和刀具裂纹损伤失效仿真结果表明：在CVD金刚石微铣刀铣削TC4钛合金时，铣削深度和每齿进给量的增加会使工件的毛刺增加，铣削速度的变化对工件加工质量影响较小。铣削深度是影响刀具失效的主要因素，铣削速度和每齿进给量是影响刀具失效的次要因素。

       (3)采用仿真获得的铣削深度和每齿进给量对加工质量影响较大，铣削速度对工件加工质量影响较小的加工参数变化规律，通过微细铣削加工试验进行了验证。