可加工陶瓷喷嘴的微钻孔分析（六）

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数值模型
在本节中，介绍了微型钻的模态动态有限元分析和正交切削的有限元模型。

1.模态动态有限元分析
确定微型钻头的动态行为是选择稳定切削参数的重要因素。通常，宏观钻头的动力学是通过用冲击锤激励钻头并用加速度计测量工具尖端的位移来获得的。耦合力和位移信号以获得频率响应函数。然后通过使用拟合技术获得模态动态参数（模态阻尼、模态固有频率、模态刚度和模态质量）。这种方法不能直接应用于微型钻头，因为加速度计不能连接到工具尖端。 FEA 出现作为获得微型工具动力学的替代解决方案，其中可以考虑微型钻头的复杂几何形状。因此，本文使用 FEA 来获得直径为 100 μm 的微型钻头的动力学。

首先，对 CAD 几何形状和网格进行建模，以表示直径为 100 μm 和槽长为 1.3 mm 的实际微型钻头。实际的微型钻头是通过 SEM 测量的，并相应地生成 FE 网格（见图 6）。微型钻头采用积分减少的二次四面体单元进行网格划分。假设涂层薄层不影响刀具动力学，并且微型钻头被建模为弹性模量为 580 GPa、泊松比为 0.28 且密度为 14,300 kg/m3 的碳化物材料。零位移应用于与夹头接触的柄节点。动态 FEA 分两步执行。在第一步中，使用 Lanczos 特征求解器执行频率分析以获得 0-10 KHz 范围内频率的模式形状。模态分析在步骤 2 中通过考虑来自频率分析的预测模态形状来执行。在模态分析步骤中，集中力施加在两个工具尖端以表示扭矩。此外，在轴向上施加集中力。在模态动态分析中不考虑阻尼，因为主要目的是获得微型钻头振动的固有频率。 

BBIN宝盈图 6. 直径为 100 μm 的微型钻头的 FE 网格和 SEM 图像

2.正交切削的有限元模型
正交切削的有限元模型已广泛用于预测各种切削操作中的切削力、切屑形成和残余应力。例如，正交切削的预测切削力可能与微观和宏观尺度的车削、拉削和铣削操作相关。在钻孔中，正交切削只能代表切削刃处的切削机理。它还可以预测作用在切削刃上的切削力，但不能预测凿唇、摩擦和去除材料的疏散的影响。正交切割的有限元建模可用于描述 Macor 的切割机制，其中可以做出一些工程决策。

使用 Afazov 等人开发的显式积分模型在动态热机械 FEA 中模拟 Macor 的正交切割。 (2010)。在 FE 模型中，工具的几何形状是根据扫描电子显微镜测量结果创建的。对于直径为 100 μm 的 2 个双刃 TiN 涂层微型钻头，使用 SEM 测量的边缘半径约为 0.8 μm（见图 7）。刀具和工件之间采用滑粘摩擦模型。应该提到的是，由于接触压力的变化，摩擦会导致切削力的非线性。例如，边缘半径会产生更高的接触压力，而摩擦会导致粘附占主导地位的行为。根据 McKellop 等人进行的实验研究，选择了 0.1 的摩擦系数。 (1981)。研究报告称，Macor 具有低摩擦系数。第 3 节中描述的材料模型在 FE 模型中实现。有限元模型与线性四边形单元网格化，集成度降低，接触区域的尺寸约为 5 nm。一旦达到损坏标准，这些单元就会从刚度矩阵中停用。表 2 给出了正交切削有限元模型中使用的 Macor 机械和物理特性。 

图7微钻的 SEM 图像和测量的切削刃半径

表 2. Macor 的机械和物理材料特性
BBIN宝盈 （MACOR是由康宁公司生产的可加工陶瓷）