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不同晶粒度材料微铣削力的仿真与试验

纳米技术与精密工程 2017年第2期15卷 145-150页

作者：高奇巩亚东蔡明辽宁工业大学机械工程与自动化学院锦州121001 东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

以铝AL1060为研究对象,基于ABAQUS对不同晶粒度AL1060进行微铣削力仿真研究,采用直径为0.6mm的硬质合金立铣刀对不同晶粒度AL1060零件进行高速铣槽试验,依据单因素试验方法,分析主轴转速、铣削深度和进给速度对不同晶粒度AL1060零件微... 详细信息

以铝AL1060为研究对象,基于ABAQUS对不同晶粒度AL1060进行微铣削力仿真研究,采用直径为0.6mm的硬质合金立铣刀对不同晶粒度AL1060零件进行高速铣槽试验,依据单因素试验方法,分析主轴转速、铣削深度和进给速度对不同晶粒度AL1060零件微铣削力的影响,探究微铣削力影响机理,仿真与试验结果数值较为接近,误差较小,细晶铣削力大于粗晶.

关键词：晶粒度 ABAQUS 微铣削力

不同晶粒度AL1060微铣削力及表面质量试验

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湖南科技大学学报（自然科学版） 2017年第4期32卷 32-37页

作者：高奇巩亚东蔡明东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819 辽宁工业大学机械工程与自动化学院辽宁锦州121001

采用直径为0.6 mm的硬质合金立铣刀对AL1060零件进行高速铣槽试验,采用单因素试验方法,研究分析主轴转速、铣削深度和进给速度对不同晶粒度AL1060零件微铣削力和表面质量的影响.结果表明:细晶AL1060零件相对粗晶AL1060零件微铣削力更大... 详细信息

采用直径为0.6 mm的硬质合金立铣刀对AL1060零件进行高速铣槽试验,采用单因素试验方法,研究分析主轴转速、铣削深度和进给速度对不同晶粒度AL1060零件微铣削力和表面质量的影响.结果表明:细晶AL1060零件相对粗晶AL1060零件微铣削力更大,表面质量更好,获得了定量试验数据,绘制了变化趋势图,对影响机理进行了揭示,为不同晶粒度材料的微加工性能提供理论参考及试验依据.

关键词：微铣削力表面质量晶粒度

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钛合金圆弧薄壁件微铣削力建模与稳定性研究

钛合金圆弧薄壁件微铣削力建模与稳定性研究

作者：田浩宇山东建筑大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国航空、航天、生物医学等领域的快速发展,尺寸微小且带有圆弧微薄壁特征的钛合金精密零件的应用日益广泛,对其起主导作用的微铣削加工技术亦成为研究热点。其中,微铣削力预测与稳定性研究是研究的重中之重,建立精准的微... 详细信息

近年来,随着我国航空、航天、生物医学等领域的快速发展,尺寸微小且带有圆弧微薄壁特征的钛合金精密零件的应用日益广泛,对其起主导作用的微铣削加工技术亦成为研究热点。其中,微铣削力预测与稳定性研究是研究的重中之重,建立精准的微铣削力预测模型是优化工艺参数、提升表面创成质量及加工稳定性重要前提。然而,由于多物理场的耦合作用,钛合金等难加工材料在微铣削过程中的跳动、振动、变形等问题尤为显著,干扰预测结果。此外,在圆弧薄壁件微铣削的加工过程中,由于其几何特征的非常规性,微铣削力预测变得更为困难,成为制约这些领域发展的关键瓶颈。为此,本文以钛合金圆弧薄壁件为研究对象,针对微铣削加工过程中的刀具跳动、耦合挠度变形、微铣削力建模和加工稳定性进行了深入研究,其主要研究内容如下:(1)对刀具跳动进行了分类和定义,包括径向跳动和倾斜跳动,并提出了计算方法;分析了刀具跳动对瞬时未切削厚度的影响,基于刀具跳动建立了瞬时未切削厚度模型;采用了一种新的方法确定了刀具中心轨迹和切削刃轨迹,使用迭代算法计算出瞬时未切削厚度,并计算了切入切出角;通过对刀具跳动参数的试验测量,并与传统瞬时未切削厚度模型仿真的对比分析,验证了本章所建立的考虑刀具瞬时未切削厚度模型的正确性和合理性。(2)从刀具挠度、工件挠度以及耦合作用三个角度阐明了挠度对微铣削力建模的影响,并针对刀具及工件结构特点及受力情况,分别假设为欧拉梁和铁木辛柯梁,基于这两种梁理论,求解了单元刚度矩阵并计算了挠度变形值;同时,结合瞬时未切削厚度公式,提出了一种新的迭代算法,将耦合挠度变形值引入微铣削力建模过程,从而改进了瞬时未切削厚度模型。(3)从微铣削加工机理出发,建立了微铣削力理论模型,包括剪切效应、犁切效应和耦合效应主导下的微铣削力模型;根据圆弧微铣削加工路径的特点,进行了几何分析并计算出切入切出角和瞬时未切削厚度;进行圆弧微铣削加工试验获取了微铣削力数据,识别出微铣削力系数,并基于微铣削力理论模型预测了微铣削力,通过实验验证了该模型的合理性和准确性。(4)从动力学角度出发,对圆弧微铣削力进行了动力学建模,针对刀具-主轴子系统和工件-夹具子系统进行分类说明和建模,并基于这两种模型构建了一个新的双柔性耦合系统动力学模型;采用了离散的方法进行稳定性预测分析,并提出了稳定性叶瓣图的绘制方法;根据稳定性叶瓣图设计了圆弧薄壁件加工稳定性试验,并对结果进行了分析,验证了所提出模型的准确性和合理性。

关键词：圆弧薄壁件微铣削力瞬时未切削厚度耦合挠度变形加工稳定性

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微铣削工艺参数优化及微铣削力建模研究

微铣削工艺参数优化及微铣削力建模研究

作者：陈颖华深圳大学

学位级别：硕士

航空航天、生物医学、电子、汽车等行业中目前广泛应用微切削加工技术制造精密的微型零部件。微铣削技术属于微切削加工技术中的一种,主要用于加工具有复杂微结构或曲面的微零件。在微铣削加工中,若工艺参数设置过小时,微米尺度的刀)具... 详细信息

航空航天、生物医学、电子、汽车等行业中目前广泛应用微切削加工技术制造精密的微型零部件。微铣削技术属于微切削加工技术中的一种,主要用于加工具有复杂微结构或曲面的微零件。在微铣削加工中,若工艺参数设置过小时,微米尺度的刀)具刃口圆弧半径(r0)易导致微铣削加工出现尺寸效应,微铣削力随每齿进给量(fz)减小而出现非线性变化,造成工件表面质量变差、毛刺数量增加,刀具磨损加剧。因此选择合适的工艺参数并避免过大的微铣削力,将有助于提高工件表面质量和加工效率、减少毛刺生成。本文主要研究内容如下:(1)工艺参数对加工表面质量的影响规律研究。首先,设计不同工艺参数(fz、轴向切削深度(ap)、主轴转速(n))的微铣削A17075-T6单因素试验,基于微铣削力非线性变化现象和微铣刀的刃口圆弧半径(r0),确定了微铣削加工过程最小切削厚度hmin范围为0.2r0-0.4r0。然后,以fz/r0值为定量分析基准,根据刃口尺寸效应的强弱划分了强尺寸效应区、过渡尺寸效应区和弱尺寸效应区,建立了反映加工表面质量变化情况的微铣削尺寸效应带。最后,在强尺寸效应区和弱尺寸效应区下,通过分析不同工艺参数对微槽顶端毛刺宽度、表面粗糙度和微铣削力的影响,证明了微铣削工艺参数优化主要目的是避免切削工艺参数处于强刃口尺寸效应区。(2)基于响应曲面法的微铣削工艺参数优化。为优化微铣削A17075-T6的四种工艺参数:fz、ap、n和刀具悬伸量(l),基于二阶响应曲面法设计了可旋转的中心复合微铣削直槽试验。采用最小二乘法,建立了微铣削响应预测模型,试验值和预测值拟合度良好。利用方差分析法对回归方程进行了显著性检验,研究工艺参数对微铣削力和顶端毛刺的影响规律。结果表明:在特定工艺参数范围内,ap和fz对微铣削力及顶端毛刺有显著的线性效应且影响依次减弱,而n和l无显著影响。根据最优响应值(最小微铣削力、最小顶端毛刺宽度)得到了微铣削工艺参数优化的组合:n为11394r/min,fz为5.8μm/z,ap为11.6木m,l为20.9mm。(3)考虑刀具径向跳动和滞后角的微铣削力建模。首先基于刀尖切削运动轨迹的分析,考虑刀具径向跳动和刀具滞后角,建立了新的微铣削瞬时切削厚度计算模型。然后考虑微铣削切削原理,基于常规三维铣削力模型和瞬时切削厚度模型,建立了微铣削力预测模型,结果表明该模型可信度高。以上结论为微铣削工艺参数选择提供理论依据,同时在改善加工表面质量方面也有重要的参考价值,有助于微铣削技术在工业化的快速应用。

关键词：微铣削尺寸效应工艺参数优化顶端毛刺微铣削力

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异种材料微尺度铣削力试验与对比分析

工具技术 2018年第2期52卷 23-30页

作者：张金峰唐微封超马芸慧王帅巩亚东山东科技大学东北大学

在传统切削研究中,工件材料通常是均匀和各向同性的,但当切削过程从宏观尺度变化到介、微观尺度时,微铣削加工中起主要作用的因素与宏观铣削加工相比有很大不同。因此,微细铣削的研究必须考虑工件材料的影响。本文从理论上对螺旋微立铣... 详细信息

在传统切削研究中,工件材料通常是均匀和各向同性的,但当切削过程从宏观尺度变化到介、微观尺度时,微铣削加工中起主要作用的因素与宏观铣削加工相比有很大不同。因此,微细铣削的研究必须考虑工件材料的影响。本文从理论上对螺旋微立铣刀受到的铣削力机理进行了分析,采用试验方法对微铣削不同工件材料时的微铣削力进行对比研究。在微铣削加工中,切削力随着微刀刃切入角度的变化而变化,其中微切削力的计算采用平均力。试验考虑主轴转速n、进给速度Vf、轴向切深ap以及不同工件材料对微切削力的影响,工件材料选择铝合金5083-O和6082-T6、钛合金Ti6Al4V、45钢、不锈钢304、工具钢SKH-9。试验结果表明:微铣削加工过程中的微切削力受铣削参数和加工材料影响,其中硬度、塑性越大的材料,切削力越大,材料的导热率越小,其微切削力越小。

关键词：切削理论微铣削力导热率工件材料铣削参数

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单晶镍基高温合金微铣削力试验

东北大学学报（自然科学版） 2017年第4期38卷 542-545,556页

作者：高奇巩亚东周云光温雪龙东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819 辽宁工业大学机械工程与自动化学院辽宁锦州121001

以单晶镍基高温合金DD98为研究对象,从单晶高温合金微观组织分析材料去除机理,得出DD98滑移面为密排面{111},滑移向为密排方向,克服阻力最小,最易滑移.采用双刃微铣刀对单晶镍基高温合金DD98进行正交试验,通过极差分析比较获得切削参数... 详细信息

以单晶镍基高温合金DD98为研究对象,从单晶高温合金微观组织分析材料去除机理,得出DD98滑移面为密排面{111},滑移向为密排方向,克服阻力最小,最易滑移.采用双刃微铣刀对单晶镍基高温合金DD98进行正交试验,通过极差分析比较获得切削参数对微铣削力的影响程度.结果表明,主轴转速的影响最大,进给速度其次,铣削深度最小.通过优化获得理想的切削参数为:主轴转速36 000 r/min,铣削深度5μm,进给速度20μm/s,此时微铣削力最小.并对其原因进行深入分析,为单晶高温合金的微加工理论的机理揭示提供理论参考和试验依据.

关键词：微铣削力单晶高温合金 DD98 微观组织正交试验

7075-T6铝合金微铣削力及加工工艺的研究

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7075-T6铝合金微铣削力及加工工艺的研究

作者：苏玉龙太原理工大学

学位级别：硕士

在智能化产品广泛应用的今天，各行各业对微型精密零件的需求也越来越多样化，微细铣削以其特有的优势成为国内外研究的热点。微细铣削技术相对于其他的微细加工技术而言，拥有如下的优势：可在金属和非金属材料上加工复杂的三维形状，... 详细信息

在智能化产品广泛应用的今天，各行各业对微型精密零件的需求也越来越多样化，微细铣削以其特有的优势成为国内外研究的热点。微细铣削技术相对于其他的微细加工技术而言，拥有如下的优势：可在金属和非金属材料上加工复杂的三维形状，且对加工环境要求低。由于微型产品的去毛刺工艺尚不成熟，对于微细铣削加工而言，一次加工达到要求的精度至关重要，这就需要针对不同的加工材料有不同的最优化的微铣削工艺参数。为此，本文通过研究分析微铣削加工机理，建立微铣削力的理论模型和ABAQUS有限元仿真模型，并以HASS VF-2机床为基础，组建微铣削实验系统，进行不同切削参数的微铣削实验。最后将微铣削实验结果与理论模型和仿真模型进行比较，验证模型的可行性。通过对7075-T6航空铝合金进行微铣削实验，研究工艺参数对微铣削力和微槽槽顶毛刺尺寸的影响规律，为微铣削工艺参数的优化提供了基础。本文的主要研究内容如下：（1）考虑尺寸效应的微铣削有限元模拟仿真采用有限元软件ABAQUS/EXPLICT进行7075-T6航空铝合金的微铣削模拟仿真，将应变梯度塑性理论引入到7075-T6航空铝合金的Johnson-Cook（J-C）本构方程中，来表示材料在微细铣削过程中的变形特性，计算出微铣削过程中的应变率，利用修正后的J-C本构模型模拟出微细铣削存在尺寸效应这一特性。通过MATLAB绘制出修正的J-C本构模型的应力-应变-温度的关系曲线，并将这些数据导入到ABAQUS软件中，进行考虑尺寸效应现象的微铣削过程的有限元模拟仿真。利用二维有限元模拟仿真了微细铣削过程中的应力和力与刀具切削刃半径的关系，结果表明应力和力随切削刃半径的增大而增大。通过三维有限元模拟仿真研究了微铣削力与主轴转速、每齿进给量以及轴向切削深度的关系，研究表明微铣削力随主轴转速的增大而减小，随每齿进给量的增大而先减小后增大，随轴向切削深度的增大而增大。（2）考虑尺寸效应和刀具偏摆的微铣削力理论模型本文考虑微铣削加工过程中刀具偏摆的影响，建立了一种新的瞬态切削厚度理论计算模型，该模型能够体现出瞬态切削厚度随刀具旋转角度的变化而变化的特点。将几种瞬态切削厚度模型进行对比研究，结果表明考虑刀具偏摆的瞬态切削厚度模型更加接近真实情况。在计算微铣削力时，应用了考虑刀具偏摆的瞬态切削厚度，并同时考虑了犁切力、流动应力和弹性恢复的影响，建立了满足微铣削特点的微铣削力理论模型。最后，用直径为0.1mm的日进刀具进行微铣削实验，将相同条件下得到微铣削力的实验值与理论值进行比较，进一步验证考虑尺寸效应和刀具偏摆影响的微铣削力理论模型的可行性。（3）微铣削工艺参数的研究采用0.1mm日进铣刀进行正交实验，研究了微铣削工艺参数对微铣削力、扭矩和槽顶毛刺的影响情况，实验结果表明通过对工艺参数的优化能够达到减小微铣削力和槽顶毛刺的目的。

关键词： J-C本构刀具偏摆尺寸效应微铣削力仿真与实验

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AZ31b镁合金微铣削力及加工机理的研究

AZ31b镁合金微铣削力及加工机理的研究

作者：何启东太原理工大学

学位级别：硕士

随着工业4.0创新概念的提出,制造业不断朝着智能化、自动化、高精密方向发展,新兴技术手段层出不穷,而其中将传统铣削与微细加工相结合的精密加工技术更是成为当今科研界非常活跃的研究热点。微铣削具有加工精度高、灵活性大、已加工表... 详细信息

随着工业4.0创新概念的提出,制造业不断朝着智能化、自动化、高精密方向发展,新兴技术手段层出不穷,而其中将传统铣削与微细加工相结合的精密加工技术更是成为当今科研界非常活跃的研究热点。微铣削具有加工精度高、灵活性大、已加工表面质量较高、能够实现3D加工等优点,因而被广泛应用于航空航天、生物医疗、国防电子等领域。镁合金材料作为工业领域最轻的实用结构金属,具有良好的热传导性、减震性、尺寸稳定性和优良的机加工性能,特别是相对比强度和比刚度高,使其完全适用于汽车及航空航天等精密加工领域,然而由于低屈服点和弹性系数、易燃性也降低了镁合金材料在机加工过程中的实际使用价值,此时相关机械加工性能的研究显得十分必要。本文在现有微细加工研究的基础上采用理论分析和有限元仿真模拟的方法对AZ31b镁合金微铣削力及加工机理进行了探究,并搭建HAAS机床试验平台对模型的准确度进行验证,同时分析了不同切削参数对于微铣削力和加工表面质量的影响规律。依据现有切削理论并对其进行了改进,建立考虑切削刃钝圆半径、最小切削厚度、尺度效应、刀具有效前角和刀具偏摆等因素在内更符合微切削加工特性的AZ31b镁合金微铣削力数学解析模型。利用大型商用软件Abaqus/Explicit显式动力分析模块对微铣削过程进行二维旋转模型有限元仿真,将塑性应变梯度引入其中建立材料微铣削本构模型,得到了一种全新的实际有效前角计算方法,并对切屑的形成及其发生条件进行了分析,同时探究了切削层厚度和刀具参数对于切削力的影响以及加工过程中材料的动态力学性能变化;创建基于任意拉格朗日-欧拉法(ALE)三维有限元仿真模型并编写子程序使其基本设置参数化、可视化,获得了不同切削参数对微铣削加工过程中切削力的影响规律。搭建试验平台利用?0.1mm日进铣刀对AZ31b镁合金材料进行单因素及正交两种方法的微铣削试验,得到了实际加工条件下不同切削参数的铣削力和已加工表面,同时试验结果显示与有限元仿真结果有较好的一致性,验证了理论分析的准确性,最终建立了?0.1mm日进铣刀微槽铣时的切削力经验公式,可以实现一定状态下的微铣削力预测。

关键词： J-C本构模型尺寸效应微铣削力仿真与实验

微铣削中考虑刀具跳动的瞬时刀具挠度变形研究

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机械工程学报 2019年第5期55卷 241-248页

作者：张雪薇于天彪王宛山东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

基于对将刀具跳动(包括轴线偏移跳动及轴线倾斜跳动)的影响考虑在内的微铣削力的研究,提出一种新的微铣削加工过程中刀具挠度变形解析计算方法,在微铣削加工刀具挠度变形理论模型的建立过程中,以微立铣刀为例,将微立铣刀假设为连续的铁... 详细信息

基于对将刀具跳动(包括轴线偏移跳动及轴线倾斜跳动)的影响考虑在内的微铣削力的研究,提出一种新的微铣削加工过程中刀具挠度变形解析计算方法,在微铣削加工刀具挠度变形理论模型的建立过程中,以微立铣刀为例,将微立铣刀假设为连续的铁木辛柯梁(Timoshenkobeam)并采用刀具工件切削接触区域内沿刀具切削刃方向作用于切削刃离散微元上的分布微铣削力载荷取代作用于刀尖位置的总微铣削力。此外,为获取微铣削加工过程中的刀具挠度变形具体数值,设计并搭建包括x轴及y轴两方向电容式传感器的测量系统,并通过实验对所提出的微铣削加工过程中考虑刀具跳动的刀具挠度变形理论模型进行对比验证和分析,验证所提出模型的正确性,并为进一步研究微铣削加工过程工件表面质量及参数优化提供理论依据。

关键词：微铣削刀具跳动刀具挠度变形微铣削力