金剛石具有良好的物理化學性質，在微銑削難加工材料時被廣泛應用。化學氣相沉積(CVD)金剛石是一種人造金剛石，其相對于天然金剛石具有容易制備、物理化學性能優異、經濟性好等特點，故其成為微銑刀的理想涂層材料。

       因為影響微銑刀加工質量的因素多而復雜，而采用CVD金剛石微銑刀加工通常要求較高的加工質量，所以國內外學者對影響CVD金剛石微銑刀切削性能的因素進行大量研究。英國Brunel大學超精密加工試驗室開展的CVD金剛石微銑刀加工試驗說明，在相同加工條件下，CVD金剛石微銑刀比普通硬質合金刀具加工質量更高，壽命更長。韓國Yeungnam大學的科研人員通過開展金剛石涂層微刀具單晶硅微細加工試驗探究涂層微刀具加工過程中切屑生成機理。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的科研人員進行了CVD金剛石微銑刀6061鋁合金加工試驗，試驗結果表明，在高速干切條件下，鋁對刀具表面附著率低，加工質量好，刀具的摩擦學性能和切削性能優異。對氧化鋯的加工試驗表明，具有無定型陶瓷中間層的CVD金剛石刀具表現出良好的切削性能。

       CVD金剛石微銑刀在應用中容易產生損傷失效，前述研究缺乏對CVD金剛石微刀具切削參數綜合影響分析，未能對CVD金剛石的損傷進行研究。本文采用擴展有限元法對CVD金剛石微刀具切削過程及損傷應力進行仿真，探究微細切削參數對工件表面質量的影響，并通過試驗對仿真結果進行驗證。

       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

       仿真模型中設定工件材料為TC4(Ti6Al4V)，并確定其相應的材料力學特性參數。對于材料的塑性參數，本文選用Johnson-Cook材料本構模型。仿真模型中設定刀具為剛體，工件底面采用完全約束，用銑刀繞自身軸線旋轉來模擬主軸轉動，銑刀沿工件長度方向橫向運動模擬刀具進給，銑刀其它自由度完全被約束。采用C3D4單元對銑刀進行掃略式網格劃分，C3D8R單元對工件進行結構化網格劃分。在ABAQUS中進行接觸參數設置時，設定刀具與工件間為面面接觸，利用罰函數法進行約束。設定切屑和刀具前刀面接觸區采用修正庫侖摩擦定律模型，切屑與工件的分離準則為物理準則。

表1  微銑刀的幾何參數

       在CVD金剛石微刀具的切削仿真中，刀具基底材料為YG6硬質合金，CVD涂層厚度設置為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發生扭曲變形，故對該部分進行結構化網格劃分，微銑刀的其余部分采用自由網格劃分。利用建立的微銑削加工仿真模型獲得切削力隨時間變化曲線如圖2a所示。為了模擬真實加工中的受載情況，研究微銑刀的應力損傷行為，對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)仿真結果分析

       選用不同的切削參數進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價刀具的切削性能。圖3為切削速度Vc為50mm/min、每齒進給量fz為4μm時，在三種銑削深度下工件表面形貌仿真結果。由圖可知，隨著銑削深度的增加，銑槽側壁毛刺量不斷增加，工件表面質量急劇下降。這是由于隨著銑削深度的增加，刀具單位時間內去除材料的體積增大。當去除材料體積大于微銑刀的容屑體積時，未及時排出的切屑會在側壁上形成毛刺。

(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果

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

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

(c)ap=15μm

圖4  不同銑削深度下刀具應力仿真結果

       圖5是切削力和刃尖節點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，并且曲線末段相對于初段明顯上揚，在ap=10μm附近發生轉折。經分析可知，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，切削力數值相對較小，刀具壽命長，有利于獲得高質量的加工表面；在ap>10μm時，刀具由于切削力增大而更容易失效。圖5b為刃尖節點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，銑削深度對刀具的失效產生重要影響。

圖5  切削力和刃尖節點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，不同每齒進給量下工件表面形貌仿真結果。由圖可知，在每齒進給量fz為2μm和4μm時，銑槽側壁有少量毛刺產生，銑槽底面無明顯波紋，工件表面質量較好。在每齒進給量fz為6μm時，銑槽一側有大量不規則撕裂狀毛刺，工件表面質量變差。這是由于隨著進給量增大，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  不同每齒進給量下工件表面形貌仿真結果

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

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

(c)fz=6μm/z

圖7  不同每齒進給量下刀具應力仿真結果

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

圖8  切削力和刃尖節點最大位移隨每齒進給量變化曲線

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

       圖10中在不同銑削速度下，刀具最大應力值有較小的波動幅度，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力仿真結果

       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，然后穩定到某一數值。在低速銑削時，刀具與工件在單位時間內接觸少、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無限增大，故切削力最終穩定在某一數值，此時工件有較好的加工質量。綜上可知，銑削速度對刀具失效的影響較小。

       2  微細銑削試驗

         (1)試驗方案

         為了驗證仿真結果的正確性，開展TC4鈦合金的微細銑削試驗。試驗采用商業化的平底二刃CVD金剛石微銑刀，工件材料為TC4鈦合金。在哈爾濱工業大學自主研制的五軸微細加工機床進行微細銑削加工試驗。

       采用瑞士Kistler公司9257B三向測力儀測量切削力，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量工件表面三維形貌與粗糙度。每組試驗銑削3個長度10mm的微槽，試驗中通過測量CVD金剛石微銑刀加工TC4鈦合金時切削力和工件表面粗糙度的變化對CVD金剛石微刀具的切削性能進行評價。

圖11  切削力和刃尖節點最大位移與銑削速度變化曲線

       (2)微細銑削的切削力分析

       圖12為切削力隨加工參數變化曲線。圖12a為主軸轉速20000r/min、進給速度12mm/min時軸向切削深度與切削力變化曲線。可見，銑削深度增大，切削力也增大，且增速逐漸加快，與仿真結果相符。在銑削過程中，進給速度增大時，切削力會因切削刃與工件間的摩擦擠壓作用加劇而增大。圖12b中進給速度與切削力變化曲線驗證了該結論。銑削過程中，主軸轉速的提高會導致機床加工振動增加，刀具受到沖擊載荷增加而使切削力增加。圖12c為進給速度12mm/min、切削深度取5μm時主軸轉速與切削力變化曲線。該圖說明隨著主軸轉速的提高，三向切削力均增加，且增速不斷放緩，并有下降趨勢，這與仿真結果相符。

(a)軸向切削深度                (b)進給速度

(c)主軸轉速

圖12  切削力隨加工參數的變化曲線

       (3)不同加工參數對工件表面質量的影響分析

       將CVD金剛石微刀具微細銑削TC4鈦合金的工件表面粗糙度在顯微鏡下進行測量分析。圖13是主軸轉速20000r/min、進給速度12mm/min時，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，銑槽兩側毛刺較少，工件表面質量較高，進一步增大軸向切削深度時，銑槽兩側毛刺增多，以鋸齒狀粘附在工件表面上，工件表面質量急劇下降。測量獲得的已加工表面粗糙度隨軸向切削深度的變化規律也說明了該現象。

圖13  不同軸向切削深度下的工件表面形貌

       圖14是主軸轉速取20000r/min、軸向切削深度取5μm時，不同進給速度下工件的表面形貌。由圖可知，在進給速度小于20mm/min時，工件表面質量較好，無明顯毛刺產生。當進給速度進一步增大時，單位時間內材料的去除量增加，未能及時排出的切屑一方面殘留在銑槽邊緣惡化加工質量，另一方面落入槽底的切屑對槽底產生灼傷。已加工表面粗糙度隨軸向切削深度的變化測量結果表明：隨著進給速度的增加，已加工表面粗糙度值增大。

圖14  不同進給速度下的工件表面形貌

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

圖15  不同主軸轉速下的工件表面形貌

       對比試驗結果和仿真結果可以發現，試驗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律也相近。忽略試驗過程中不確定因素和測量誤差對試驗結果產生的影響，可以認為仿真結果和試驗結果一致。

       小結

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

       (2)微銑削加工和刀具裂紋損傷失效仿真結果表明：在CVD金剛石微銑刀銑削TC4鈦合金時，銑削深度和每齒進給量的增加會使工件的毛刺增加，銑削速度的變化對工件加工質量影響較小。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給量對加工質量影響較大，銑削速度對工件加工質量影響較小的加工參數變化規律，通過微細銑削加工試驗進行了驗證。