基于数值模拟的微铣刀磨损后对铣削力的研究

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本文主要是针对微铣刀刀刃半径的逐渐变大，即微铣刀磨损，利用数值模拟的方法进行研究。根据实验实际情况出发建立数值模拟模型，其主要有微铣刀几何模型、材料模型和剪切破坏模型等，得出数值模拟结果，经分析可知，随着微铣刀磨损的加大，微铣刀所受的径向力和切向力都将有增大的趋势。

一、引言

几何特征尺寸为0.01～1mm的零件，由于其低材料成本、可移植性、低功耗和较高热传导率等优点，被广泛用于生物医疗、航空航天、国防和电子产品等领域，随着微小功能器件的需求不断增加，用微铣削加工技术已成为一个重要的加工方法。其最大的优点是，可以加工较为复杂的三维自由曲面、加工不同种的材料，而且比起掩模技术EDM和LIGA等，微铣削加工成本比较低。因此，微铣削加工工艺已成为一个研究热点。

二、设计思想

微器件的加工质量是考察微铣削加工工艺与微铣削性能高低的一个重要标准。刀刃的微小变化都会给加工精度和表面粗糙度带来很大的影响。实验室商用微铣刀刀柄直径在1mm以下，用SEM测得刀刃半径为1μm左右。对于这么小的刀刃半径，一旦其有所变化，用常规的检测方法很难判断和测定其是否磨损，甚至发生折断。本论文提出了用数值模拟的方法，利用微铣刀刀刃的逐渐变大，研究微铣刀刀刃磨损后所对应的铣削力的变化，以此来控制微铣刀磨损对加工质量的影响。

三、数值模拟原理

数值建模选用的是ABAQUS/Explicit显式非线性动态分析，利用了ALE自适应网格技术。

1.材料模型

五、结语

根据上面的数值模拟结果，提取数据，分别对 X和Y方向的力进行了汇总，如图2、图3所示。

通过对图3进行分析，可以得出以下结论。

①随着微铣刀刀刃半径的逐渐增大，即微铣刀 X方向和 Y方向所承受的力都是是逐渐变大的，而且 X方向的力大于 Y方向力。

②还可以看出力一开始波动较大，经过一段时间后将达到平稳，在平稳处X方向的力是Y向的近3倍之多。

③从数值模拟结果上看，微铣刀受到的径向力大于切向力。

因此，微铣刀磨损的研究可以利用数值模拟的方法，解决了目前用常规的实验检测方法很难判断和测定其是否磨损的问题；也为微铣刀测力实验判定微铣刀磨损提供了理论依据。