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(shí)的切削力明顯增大，刀具的磨損加劇和加工穩(wěn)定性降低。基于這些原因，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(jì)、制成樣品并試驗(yàn)驗(yàn)證。 實(shí)踐表明：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(shí)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(shí)，則會(huì)給微型銑削過程帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。 目前所用微型銑刀中的同一個(gè)不足之處是：圓跳動(dòng)精度不夠高(圖1)。之所以如此，一方面是因?yàn)槲?span lang="EN-US" style="font-size:10.5pt;font-family:'Times New Roman';mso-bidi-font-size:12.0pt;mso-fareast-font-family:宋體;mso-font-kerning:1.0pt;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA;">沈陽第一機(jī)床廠型銑刀加工時(shí)所要求的轉(zhuǎn)速太高；另一方面，總的圓跳動(dòng)誤差是由導(dǎo)桿、夾具和微型銑刀本身三方面的圓跳動(dòng)誤差累計(jì)起來的總和。尤其是在總的圓跳動(dòng)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(gè)兩齒的銑刀可能就只有一個(gè)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(gè)問題，人們利用計(jì)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(dòng)進(jìn)行了比較。對比試驗(yàn)時(shí)，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(gè)銑刀的變形形式都進(jìn)行了多次模擬試驗(yàn)，以便使模擬盡可能的接近生產(chǎn)實(shí)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(yàn)，隨后對微型銑刀切削時(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn)時(shí)，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(yàn)。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(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)的目的在于得出有說服力的偏心量允差。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(yàn)結(jié)果表明：偏心裝夾對微型銑刀的影響是不能忽略不計(jì)的�！ Φ毒呓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)是很有幫助的。在微型銑刀的計(jì)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(shí)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(yàn)無法得出的或是需要付出很大代價(jià)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(dòng)量�！ ∮�(jì)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(yàn)中對微型銑刀樣品進(jìn)行驗(yàn)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(shí)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(gè)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。 由于在微型銑刀的生產(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(dòng)的切割絲電極中進(jìn)行的，由于切割絲在不斷的運(yùn)動(dòng)，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。 微型銑刀是在專門為加工高精度產(chǎn)品而研發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)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?yàn)楹蟮睹娴募庸な怯尚D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直進(jìn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的運(yùn)動(dòng)。微型銑刀線切割加工的第二個(gè)工序是副后刀面的切割加工，此時(shí)的切割絲運(yùn)動(dòng)就已經(jīng)是一個(gè)兩坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)了。微型銑刀沈陽第一機(jī)床廠最后一個(gè)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(gè)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?yàn)槟ハ髦筱姷兜那邢魅袑⒂懈玫谋砻尜|(zhì)量和沈陽第一機(jī)床廠更加鋒利的切削刃。在磨削時(shí)，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(shí)，用X38CrMoV5-1材料進(jìn)行了多次銑削試驗(yàn)。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(shí)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(shí)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(shí)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�！ ‰p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。 在不同刀具材料的對比試驗(yàn)中，如利用EMT 100材料、EZ 44和EZ 61等材料進(jìn)行的對比試驗(yàn)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(yàn)時(shí)得到了驗(yàn)證。與沒有鍍層材料的微型銑刀相比，其切削力沒有提高，因?yàn)殄儗雍穸群鼙�，不�?μm，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。 | 
