分屑槽槽型对RCF型PCB铣刀的影响

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分屑槽槽型对RCF型PCB铣刀的影响
廖湘辉， 尹麒麟， 程创， 肖燕超， 何彬

【作者机构】        三峡大学； 三峡大学机械与动力学院
【来    源】        《工具技术》 2019年第5期 pp.50-54

在切削过程中,RCF铣刀容易出现刀具磨损,甚至疲劳断裂。分屑槽槽型的设计对RCF铣刀的切削性能具有重要影响,但目前缺乏RCF铣刀分屑槽槽型对刀具性能影响的研究。对此,本文推导出RCF65型铣刀刀齿重叠率公式、分屑槽槽宽计算公式及槽深取值范围；利用So1idWorks三维建模软件建立RCF65型铣刀模型；应用AdvantEdge有限元分析软件分别对三种分屑槽槽型的刀具进行仿真研究,分析了不同分屑槽槽型对刀具在切削中的温度、切削力和应力的影响,找到了刀具易疲劳断裂区域。结果表明,RCF65半月型分屑槽铣刀性能最优。

关键词：RCF65型铣刀；分屑槽；芯圆比；刀齿重叠率

1 引言

[size=1em]RCF铣刀又称锣刀或玉米铣刀,是PCB行业最常用的加工刀具之一,与SC铣刀、SR铣刀、RS铣刀一起占整个PCB板加工铣刀刀具的90%以上［1］。采用RCF铣刀加工的零件表面粗糙度好,适用于电路板、SMT分板、雕刻件、模具、五金件等精密件的铣削加工。RCF铣刀刀刃部分一般采用超细晶粒硬质合金材料制作,刀柄部分则采用高速钢制作,两者通过焊接连接,刀具失效后,刀柄还可以回收重复使用。这种工艺在保证刀具铣削性能和寿命的同时,还可以减少贵重材料的使用,降低了生产成本。

[size=1em]生产PCB板需要消耗大量的RCF型铣刀,随着PCB行业的高速发展,国内外市场对RCF铣刀的需求也与日俱增。如何提高RCF铣刀的铣削性能以及减少因刀具自身缺陷而导致的失效,是PCB铣刀生产厂商需要解决的问题［2,3］。目前,国内外学者从铣刀几何参数、铣削参数及冷却方式等方面对刀具寿命及铣削性能进行了深入研究,但对RCF铣刀本身的研究较少。另外,因为分屑槽结构的存在,现有的铣刀研究成果并不能完全适用于RCF铣刀。

[size=1em]本文推导出RCF系列65型铣刀（即右排屑槽6条,左分屑槽5条）的刀齿重叠率公式,进而得到分屑槽的槽宽计算公式。通过So1idWorks软件建立RCF65型铣刀模型,并利用AdvantEdge有限元分析软件模拟分析分屑槽截面形状,针对加工5052铝合金时的切削温度、切削力和应力的影响进行分析,进而对分屑槽截面槽型进行优化。

[size=1em]RCF铣刀分屑槽的主要优点：①将长条形切屑切断,变成短切屑或粉末状切屑,以避免切屑缠绕,并减少切屑上的热传递,从而降低刀具和工件的温度；②控制切屑的流出方向,保证被加工零件的表面精度；③降低切削抗力,减小切削力,延长刀具寿命。

[size=0.8em]图1 RCF65型铣刀

[size=1em]图1为PCB行业常用的RCF65型铣刀。直径D=1.6 mm,右排屑槽数为6,左分屑槽数为5,分屑槽为V型。分屑槽截面形状一般可分为三类：V型、梯型、半月型,如图2所示。

[size=0.8em]图2 分屑槽截面形状

2 RCF65 型铣刀的重要参数

[size=1em]由于RCF65型铣刀分屑槽结构的存在,为保证刀具拥有足够的刚度及良好的铣削性能,必须考虑刀具的两个重要参数,即芯圆比S和刀齿重叠率O。

[size=1em]（1）芯圆比

[size=1em]同等条件下,分屑槽结构使RCF65型铣刀比普通铣刀能去除更多的材料,材料去除越多,刚度越低。为保证刀具有足够的刚度,必须确保芯圆比足够大。如图3所示,芯圆比S=D2/D。式中,D1为刀具直径；D2为芯圆直径。

[size=1em]根据刚度系数公式有

[size=1em]式中,K为刚度系数；Iz为截面惯性矩；l为悬伸长度；E为弹性模量；D3为有效直径。

[size=0.8em]图3 RCF65型铣刀分屑槽芯圆比

[size=1em]由公式可知,S越大,D2 越大,有效直径D3 也越大,则刀具刚度越大,越不容易疲劳断裂；但S过大会导致排屑槽截面面积过小,不利于排出切屑。根据PCB 铣刀生产厂商的经验,直径一般为3.175mm左右。RCF型铣刀芯圆比S应在70% -74%D1之间,因此排屑槽槽深d1在26% -30% D1之间。分屑槽主要作用是断屑导流,所以槽深d2应小于d1。

[size=1em]（2）刀齿重叠率

[size=1em]分屑槽将刀具的切削刃分割成多个刀齿,切削时,每一个刀齿都可以看作是切槽,所以一条刃上的刀齿切过的零件表面是由多条槽组成,而不是一个平整的面。因此,要保证被加工零件表面的光滑度,必须确保刀具刀齿切削区域的重复率,即刀齿重叠率要达到一定的要求。图4为RCF65型铣刀部分刀齿展开示意图。W1 为刀齿宽,W2 为分屑槽宽,R1-R6为右螺旋线,L1-L5为左螺旋线。

[size=0.8em]图4 RCF65型铣刀部分刀齿展开

[size=1em]刀齿重叠率指刀具绕自身轴线旋转一周后刀齿切削区域的重叠率。假设R4螺旋线上的刀齿为第一排切削的刀齿,则RCF65型铣刀的刀齿重叠率可通过计算其中一个刀齿的重叠率得到。

[size=1em]如图5所示,b为第一排刀齿中的一个刀齿的切削宽度,等于刀齿宽,P1为相邻的两条右螺旋线在刀具径向截面上的距离,P2为相邻的两条左螺旋线在刀具径向截面上的距离,β1为右螺旋角,β2为左螺旋角。刀齿重叠切削宽度为

[size=0.8em]图5

[size=1em]由图5可知

[size=1em]将式（3）代入式（2）可得

[size=1em]同理可得

[size=1em]若ai＞0,则代表两齿切削区域有重叠；反之,两齿切削区域无重叠。所以RCF65型铣刀刀齿重叠率为

[size=1em]根据PCB铣刀生产厂商的经验,刀齿重叠率在130%～140%之间较好。因此,从式（4）～式（7）可计算出刀齿宽W1的值。如图6所示,有

[size=1em]从式（8）可得分屑槽槽宽为

[size=0.8em]图6 齿宽

3 建立有限元仿真模型

[size=1em]（1）建立工件模型和RCF65型铣刀模型

[size=1em]如图7所示,在So1idWorks软件上分别建立V形、梯形和半月形的RCF65型铣刀刀刃部分模型,直径1.6 mm,右螺旋角20°,左螺旋角25°,鱼尾角20°。刀具材料为硬质合金,工件材料为5052铝合金。

[size=1em]将铣刀模型保存成step格式,然后导入Advant-Edge切削仿真软件,采用自适应网格划分技术对工件和刀具模型进行网格划分。在切削仿真过程中,工件与刀具接触区域会自动细化,以防止因材料变形而引起的网格畸变,并形成较好的切屑［4］,如图8所示。

[size=0.8em]图7 刀刃部分三维模型

[size=0.8em]图8 铣刀模型网格划分

[size=1em]（2）确定5052铝合金材料本构模型

[size=1em]在仿真切削中,常用的工件材料本构模型主要有Johnson-Cook、Zerri11i-Armstrong、Bodner-Parton、Fo11ansbee-Kocks以及Power-Law等［5,6］,工件材料（5052铝合金）本构模型采用Power-Law模型。其基本表达式为［7］

[size=1em]式中,τ0为初始屈服应力；n和m分别为材料的应变强化系数和应变率强化系数；v为热软化系数；γ0为等效屈服应变；˙γ为应变率；˙γ0为参考应变率；T0为参考温度；T为切削温度。

4 结果与分析4.1 不同分屑槽槽型对切削温度的影响

[size=1em]保持RCF65型铣刀其它几何参数及分屑槽的宽度和深度不变,改变刀具分屑槽槽型,切削温度仿真结果如图9所示。

[size=1em]从温度最大值看,梯型分屑槽铣刀切削温度最高,为285.993℃；半月型分屑槽铣刀切削温度次之,为226.784℃；V型分屑槽铣刀切削温度最低,为215.463℃。产生这种温度差别的原因可能是：

[size=1em]①RCF65铣刀分屑槽是向下排屑,排屑槽是向上排屑,因此分屑槽内的切屑在汇入排屑槽时,会对排屑槽的排屑有一定的阻碍作用；

[size=1em]②梯型分屑槽截面面积＞半月型分屑槽截面面积＞V型分屑槽截面面积,截面面积越大,容纳的切屑越多,对排屑槽切屑排出的影响越大,所以温度也越高。

[size=1em]仅从切削温度来看,梯形分屑槽铣刀的切削温度比半月型分屑槽铣刀高59.209℃,比V型分屑槽铣刀高70.53℃,而后两者温度相差较小,只有11.321℃。因此,RCF65型铣刀分屑槽的槽型为半月型和V型时较好。

[size=0.8em]图9 不同分屑槽槽型刀具的切削温度仿真结果

4.2 不同分屑槽槽型对切削力的影响

[size=1em]仅改变RCF65型铣刀分屑槽槽型,切削力仿真结果如图10所示。不同分屑槽槽型的RCF65型铣刀切削受力曲线走势基本相同,在刀具刚开始切削时,切削齿数少,切削力小,随着参与切削的齿数增加,切削力急速上升；进入平稳期后,切削力基本不变；随着温度的上升,工件材料开始软化,切削力又小幅下降。

[size=0.8em]图10 不同分屑槽槽型刀具的切削力仿真结果

[size=1em]三种分屑槽槽型的铣刀刀齿宽相同,切削力却有微小差距。V型分屑槽铣刀主切削力最大值为432.01N,梯型分屑槽铣刀主切削力最大值为421.14N,半月型槽铣刀主切削力最大值为437.87N,两两之间最大数值差仅为16.73N。产生原因有：①切削温度的影响；②分屑槽槽型不同,所以刀齿形状不同,使得不同分屑槽槽型刀具的刀齿切削面积不相等,导致切削力大小不一致。

4.3 不同分屑槽槽型对应力的影响

[size=1em]硬质合金是由高硬度、耐磨性良好的碳化物相与熔点低、韧性高的粘结相通过烧结而成的复合材料［8］,存在WC晶粒夹粗、晶粒异常长大、粘结相分布不均匀以及微观裂纹等问题［9］。当受到机械冲击和热冲击等突变载荷时,RCF65型铣刀内部的裂纹核会发生疲劳扩展,经过一段时间的切削后,裂纹就会扩展到刀具临界断裂尺寸,发生疲劳破损失效,导致刀具断裂［10］。分屑槽结构使得刀具径向截面尺寸发生突变,容易产生应力集中,是刀具最危险的地方。

[size=0.8em]图11 不同分屑槽槽型刀具的应力仿真结果

[size=1em]如图11所示,三种分屑槽槽型的刀具应力分布区域基本一致,均是越接近刀柄部分,应力越大,所以刀具最容易发生疲劳断裂的区域是接近刀柄的分屑槽。通过探针获得三种刀具上端同一区域的分屑槽槽底的最大应力值：V型槽为1557.91MPa；梯型槽为1382.94MPa；半月型槽为1295.19MPa。V型分屑槽铣刀应力值比梯型分屑槽铣刀大174.97MPa,而梯型分屑槽铣刀应力值又比半月型分屑槽铣刀大87.75MPa。显然,良好的分屑槽槽型能够减轻应力集中,提高刀具疲劳强度,降低断刀风险,因此RCF65型铣刀分屑槽槽型为半月型较好。

5 结语

[size=1em]（1）推导出了RCF65型铣刀刀齿重叠率公式、分屑槽槽宽计算公式及槽深取值范围,并利用So1idWorks软件建立了RCF65型铣刀模型。

[size=1em]（2）应用AdvantEdge有限元分析软件分别对三种分屑槽型的刀具进行仿真研究,分析了不同分屑槽槽型对刀具在切削中的温度、切削力和应力的影响,找到了RCF65型铣刀易疲劳断裂的区域。结果表明：半月型分屑槽RCF65型铣刀性能最优。

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[size=1.8em]Effect of Chip-split Groove Shape on RCF-type PCB Milling Cutter

[size=1em]Liao Xianghui,Yin Qi1in,Cheng Chuang,Xiao Yanchao,He Bin

[size=1em]Abstract：During the cutting process,the RCF-type mi11ing cutter is prone to too1wear and even fatigue fracture,and the design of the chip-sp1it groove shape has an important inf1uence on the cutting performance of the RCF-type mi11ing cutter.In order to so1ve this prob1em,the over1ap rate formu1a of RCF65 type mi11ing cutter teeth,the ca1cu1ation formu1a of s1ot width and the va1ue range of s1ot depth are derived.By estab1ishing RCF65 mi11ing cutter mode1by So1idWorks,simu1ation of three types of cutters with chip-sp1it groove shape by using finite e1ement ana1ysis software AdvantEdge,the effects of different chip-sp1it groove shape on the temperature,cutting force and pressure of the too1during cutting are ana1yzed and the area where the too1is susceptib1e to fatigue fracture is found.The resu1ts show that the ha1f-moon type chip-sp1it groove RCF65 mi11ing cutter′s performance is the best.

[size=1em]Keywords：RCF65-type PCB mi11ing cutter；chip-sp1it groove；core circ1e ratio；cutter tooth over1ap rate

[size=1em]中图分类号：TG714；TH162

[size=1em]文献标志码：A

[size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1000-7008.2019.05.010

[size=1em]收稿日期：2018年7月

[size=1em]第一者：廖湘辉，教授，三峡大学机械与动力学院，443002湖北省宜昌市

[size=1em]First Author：Liao Xianghui，Professor，School of Mechanical and Power Engineering，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China