沈陽第一機(jī)床廠微型銑刀經(jīng)常出現(xiàn)的問題是徑向同軸沈陽第一機(jī)床廠度誤差大于每齒進(jìn)給量，造成的后果是微型銑刀切削時的切削力明顯增大，刀具的磨損加劇和加工穩(wěn)定性降低�；谶@些原因，人們開始利用FEM模擬軟件對微型銑刀的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、制成樣品并試驗驗證�！ 嵺`表明：目前所有的微型銑刀在不斷增加的微型化應(yīng)用中都已達(dá)到了極限。其明顯的信號就是：微型銑刀只能在一定程度上承受切削力，形成有效的切削，而且生產(chǎn)過程中其他的一些影響因素也具有越來越重要的意義。例如，微型銑刀對裝夾時的偏心比大型銑刀敏感。當(dāng)微型銑刀的尺寸進(jìn)一步減小時，則會給微型銑削過程帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響�！ ∧壳八梦⑿豌姷吨械耐粋�不足之處是：圓跳動精度不夠高(圖1)。之所以如此，一方面是因為微沈陽第一機(jī)床廠型銑刀加工時所要求的轉(zhuǎn)速太高；另一方面，總的圓跳動誤差是由導(dǎo)桿、夾具和微型銑刀本身三方面的圓跳動誤差累計起來的總和。尤其是在總的圓跳動誤差(也就是所謂的切削刃偏移)超過了每齒的進(jìn)給量。在這種情況下，一個兩齒的銑刀可能就只有一個齒在切削，這種超負(fù)荷能夠明顯的縮短微型銑刀的使用壽命。為了能夠有效解決這個問題，人們利用計算機(jī)模擬技術(shù)專門研發(fā)了一種微型的單齒銑刀，它是一種能夠規(guī)定每齒進(jìn)給量的微型銑刀。圖2 不同幾何結(jié)沈陽第一機(jī)床廠構(gòu)的微型銑刀的機(jī)械性結(jié)構(gòu)模擬對比 作為微型銑刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工具，人們選擇了Abaqus公司的FE軟件Abaqus。利用這款軟件對不同幾何結(jié)構(gòu)的微型銑刀負(fù)荷狀況進(jìn)行了模擬分析，對不同幾何結(jié)構(gòu)的單齒微型銑刀的應(yīng)力分布和能夠承受的最大跳動進(jìn)行了比較。對比試驗時，使用的微型銑刀直徑為300μm。三種不同的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。每個銑刀的變形形式都進(jìn)行了多次模擬試驗，以便使模擬盡可能的接近生產(chǎn)實際。首先是對沈陽第一機(jī)床廠微型銑刀偏心部分質(zhì)量的離心力和刀具的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了試驗，隨后對微型銑刀切削時的切削力進(jìn)行了模擬，即對主后刀面、副后刀面和前刀面各自的受力情況進(jìn)行了模擬分析，最后對它們形成的合力進(jìn)行了分析。在進(jìn)一步的模擬試驗中，還考慮了離心力和切削力綜合作用的結(jié)果。為了保障由切削力引起的應(yīng)力能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)在切削區(qū)域內(nèi)，在主切削刃、副切削刃和前刀面處還制定了更加細(xì)致的用于有限元應(yīng)力分析的網(wǎng)格(圖3)。
半圓形幾何結(jié)構(gòu)擁有更高剛性 與梯形幾何形狀(圖2a和2b)的微型銑刀相比較，半圓形(圖2c)橫截面的微型銑刀的強(qiáng)度要高30%。因此，在切削加工時有著比圖2c形微型銑刀更小的幾何偏移量，從而能夠更好更精確的完成工件的加工。圖3 微型銑刀模擬時的網(wǎng)狀劃分，a為未建立網(wǎng)狀系統(tǒng)的CAD模型，b為網(wǎng)狀劃分后的微型銑刀 在下一步的試驗中，將利用FEM有限元模擬軟件來模擬、分析其效沈陽第一機(jī)床廠率的高低。試驗時，刀具直徑300μm的微型銑刀按不同的大小(150μm、125μm、100μm、75μm、50μm和30μm)成比例縮小，對不同直徑的微型銑刀受到的離心力和切削力進(jìn)行試驗。模擬技術(shù)使得不同直徑微型銑刀的比較成為可能。銑刀刀具偏移量的觀察分析表明：隨著微型銑刀直徑的減小，離心力的影響也減小。另外，對微型銑刀偏心裝夾在機(jī)床上的作用效果也進(jìn)行了試驗。這個試驗的目的在于得出有說服力的偏心量允差。實驗時，微型銑刀的旋轉(zhuǎn)軸線以1μm為單位，沿不同方向進(jìn)行偏移，最大偏移量為3μm(沿軸線位置和X、Y軸的負(fù)方向以及45、135方向)。試沈陽第一機(jī)床廠驗結(jié)果表明：偏心裝夾對微型銑刀的影響是不能忽略不計的。 對刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計有幫助 利用FEM有限元模擬軟件進(jìn)行的模擬表明：模擬技術(shù)對微型銑刀的研發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計是很有幫助的。在微型銑刀的計算機(jī)模型中考慮了所有必要的邊界條件之后，則有可能就微型銑刀應(yīng)力優(yōu)化時的幾何形狀給出有說服力的答案。另外，F(xiàn)EM有限元模擬方法還能得出一般試驗無法得出的或是需要付出很大代價才能得出的參數(shù)數(shù)據(jù)，如由于微型銑刀偏心裝夾引起的跳動量。 計算機(jī)模擬支持的微型銑刀研發(fā)伴隨著銑刀樣品生產(chǎn)的全過程，在銑削試驗中對微型銑刀樣品進(jìn)行驗證，從而確認(rèn)模擬的結(jié)果。微型銑刀的生產(chǎn)制造采用電火花腐蝕加工工藝，它在生產(chǎn)制造這種微型銑沈陽第一機(jī)床廠刀時有著明顯的優(yōu)勢，它不受被加工工件硬度的影響，可以用硬質(zhì)合金材料加工微型銑刀。除此以外，電火花腐蝕加工還是一個幾乎沒有切削力的加工技術(shù)，從而可以保證細(xì)部結(jié)構(gòu)非常高的精確性，從而提高被加工零件，也就是微型銑刀的結(jié)構(gòu)精度�！ ∮捎谠谖⑿豌姷兜纳a(chǎn)加工中涉及到的是從圓柱形的銑刀毛坯中加工出銑刀的結(jié)構(gòu)形狀，因此選擇了電火花腐蝕加工技術(shù)中的一種變型工藝技術(shù)——線切割進(jìn)行微型銑刀的加工。在沈陽第一機(jī)床廠線切割中，電火花的腐蝕是在連續(xù)運(yùn)動的切割絲電極中進(jìn)行的，由于切割絲在不斷的運(yùn)動，因此腐蝕過程中不斷進(jìn)入切割過程的新切割絲避免了其腐蝕過程中的損耗，這在保證很高的尺寸精度和生產(chǎn)加工的重復(fù)精度方面有著重要的意義�！ ∥⑿豌姷妒窃趯ｉT為加工高精度產(chǎn)品而研發(fā)設(shè)計的Sarix SX 100型線切割機(jī)床上制造出來的。為了保證線切割過程的穩(wěn)定性，使用的切割絲的直徑為100μm。同時，還專門研發(fā)制造了能夠檢測不同前角切削力所需的梯形結(jié)構(gòu)。最主要的線切割任務(wù)是微型銑刀螺旋槽形幾何結(jié)構(gòu)的切割，在微型銑刀螺旋槽的沈陽第一機(jī)床廠線切割過程中，銑刀圓柱形硬質(zhì)合金毛坯(EMT100)的直徑只有3mm，之所以采用這么小直徑的毛坯材料主要是由線切割機(jī)床的SK-10的夾具所決定的。 圖5 EMT 100材料的單刃微型銑刀，a圖為磨削，b圖為線切割加工 微型銑刀的線切割加工共分三個加工工序。在第一道加工工序中，微型銑刀的螺旋槽由特制的成型切割絲采用垂直進(jìn)給的方式加工而成，后刀面不能用線切割加工出來，因為后刀面的加工是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直進(jìn)運(yùn)動復(fù)合而成的運(yùn)動。微型銑刀線切割加工的第二個工序是副后刀面的切割加工，此時的切割絲運(yùn)動就已經(jīng)是一個兩坐標(biāo)方向的運(yùn)動了。微型銑刀沈陽第一機(jī)床廠最后一個線切割加工工序是切割出銑刀切削刃的基本幾何形狀(圖4)。在這個線切割工序中，將利用切割絲加工出相互呈36的微型銑刀切削刃溝槽。每切削一條溝槽，刀具毛坯都要根據(jù)切割絲進(jìn)行一次定位和垂直下降的切削。根據(jù)這樣的線切割工藝，直徑為300μm的微型銑刀被一步步的加工制造出來。銑刀前端切削刃的副后角為10，通過對微型銑刀制造加工工藝流程的優(yōu)化，最后可以加工出來的銑刀直徑只有50μm�！ ∧ハ鞒龈愉h利的切削刃 螺旋狀的銑刀外形最后還要經(jīng)過一道磨削加工，因為磨削之后銑刀的切削刃將有更好的表面質(zhì)量和沈陽第一機(jī)床廠更加鋒利的切削刃。在磨削時，Abaqus公司與Zecha硬質(zhì)合金刀具有限責(zé)任公司一起對微型銑刀的磨削工藝進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，以便能夠?qū)ξ⑿豌姷哆M(jìn)行磨削。在完成磨削技術(shù)的適應(yīng)性調(diào)整后，就在高精度的Rollmatic Smart Grind Mano 6型工具磨床上對微型銑刀進(jìn)行磨削，圖5所示為線切割和磨削加工后微型銑刀切削刃部的比較�！ ≡跍y定這種方式生產(chǎn)制造出來的微型銑刀的切削性能時，用X38CrMoV5-1材料進(jìn)行了多次銑削試驗。微型銑刀按照大批量生產(chǎn)的方式進(jìn)行了磨削，有著很高的表面質(zhì)量以及輪廓精度，對零件加工公差的影響降低到了最低。其最大的特點(diǎn)是切削刃倒沈陽第一機(jī)床廠圓比線切割要小很多。這種直徑300μm的微型銑刀變型刀具銑削時的切削速度為ap=20μm，轉(zhuǎn)速n=1000r/min，每齒進(jìn)給量為fz=13μm。與線切割的微型銑刀相比較，這種磨削后的微型銑刀在加工時的毛刺明顯的得到了改進(jìn)。同樣，后角在3.5～7之間的變型品種和前角由10°增大到20～30時的變型品種的銑削毛刺情況也都有所改善。在單刃和市場上常見的雙刃微型銑刀切削力檢測的比較中，單刃微型銑刀切削力峰值更加均勻，明顯的優(yōu)于雙刃銑刀。 雙刃微型銑刀由于同軸度誤差而引起的切屑厚度不一致和與此有關(guān)的切削刃受到的沈陽第一機(jī)床廠切削力變化等都可以避免�！ ≡诓煌毒卟牧系膶Ρ仍囼炛校缋肊MT 100材料、EZ 44和EZ 61等材料進(jìn)行的對比試驗中，EZ 61產(chǎn)生的切削力相對最小。另外，銑刀的刀面都進(jìn)行了鍍層處理，并在切削試驗時得到了驗證。與沒有鍍層材料的微型銑刀相比，其切削力沒有提高，因為鍍層厚度很薄，不到1μm，由鍍層而帶來的切削刃倒圓半徑增大可沈陽第一機(jī)床廠以因摩擦系數(shù)的減小而得以補(bǔ)償。 | 
