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作者：李国宾天津大学

学位级别：硕士

在微细切削加工过程中,由于尺度效应和最小切削厚度的原因,使得新的理论与工艺问题凸现出来。传统的宏观切削加工理论与分析方法不能够很好地描述微细切削加工过程,所以需要有针对性地对其进行建模分析和理论研究,有利于对微细切削加工... 详细信息

在微细切削加工过程中,由于尺度效应和最小切削厚度的原因,使得新的理论与工艺问题凸现出来。传统的宏观切削加工理论与分析方法不能够很好地描述微细切削加工过程,所以需要有针对性地对其进行建模分析和理论研究,有利于对微细切削加工的机理研究,并为工艺研究提供理论依据。本文利用有限元模拟的基本理论知识及传统的切削加工理论与MSG(应变梯度理论)理论对微细切削加工过程中出现的尺度效应进行理论分析研究。本研究从材料的力学性能尺度效应出发并基于传统的J-C材料本构模型,应用应变梯度理论引进尺度变量来建立能够体现尺度效应的材料本构模型。应用Fortran语言,对DEFORM-3D有限元分析软件的材料本构关系部分进行二次开发,利用用户子程序接口将建立的本构模型导入DEFORM-3D软件,使得DEFORM-3D有限元软件能够更好的描述微细切削加工过程。借助于对材料本构模型二次开发后的DEFORM-3D有限元软件对微细切削加工过程进行仿真实验研究,为微细切削加工过程中的工艺、应用提供理论依据。

关键词：最小切削厚度尺度效应本构关系介观尺度微细切削

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微细铣削切削力建模及试验研究

微细铣削切削力建模及试验研究

作者：周雨冬天津大学

学位级别：硕士

微细加工技术特别是微细铣削加工技术,因其具有可加工复杂三维结构、加工材料多样化以及加工过程可控性好等优点而广泛应用于精密及超精密加工。然而,微细铣削加工技术并非宏观铣削加工技术简单地尺度缩小,具有其特有的工艺特性,如最小... 详细信息

微细加工技术特别是微细铣削加工技术,因其具有可加工复杂三维结构、加工材料多样化以及加工过程可控性好等优点而广泛应用于精密及超精密加工。然而,微细铣削加工技术并非宏观铣削加工技术简单地尺度缩小,具有其特有的工艺特性,如最小切削厚度以及材料弹性恢复等尺度效应。为加速推动微细加工技术的发展,深入研究微细铣削加工机理尤为必要。本文采用数值建模和仿真的方法对微细铣削工艺过程进行详尽地分析,进而深入地研究微细铣削切削力,论文主要研究工作如下:(1)刀具偏心状态识别。基于刀具偏心几何模型的分析,包括平面平行偏移、平面角度偏摆以及空间角度偏摆模型,提出了一种基于刀具不同轴向片层轮廓跳动信息识别刀具偏心状态的方法。通过分析不同轴向片层轮廓跳动量及相位差,进而根据刀具偏心几何模型识别出相应的刀具偏心参量。最后,通过测量识别试验验证该参数识别方法的有效性以及刀具偏心几何模型的可靠性。(2)微细铣削切削力建模。基于微细铣削切削力建模过程展开讨论,重点探讨模型中瞬时切削厚度与切削力系数两大核心部分。关于瞬时切削厚度,将最小切削厚度、材料弹性恢复等尺度效应的影响嵌入到前面多齿作用后的残余表面中,进而提高瞬时切削厚度模型的精度,并探究刀具偏心、材料弹性恢复等因素对瞬时切削厚度的影响规律。关于切削力系数,基于直角切削转斜角切削理论,结合二维直角切削仿真结果,通过非线性拟合的方法确定切削力系数。(3)微细铣削切削力模型的试验验证。基于建立的微细铣削切削力预测模型,通过一系列微细铣削试验验证其在切削力预测方面的有效性,进而分析每齿进给量、轴向切削深度以及刀具偏心等因素对切削力的影响规律,并探究材料弹性恢复的影响规律。

关键词：微细铣削刀具偏心最小切削厚度材料弹性恢复切削刃运动轨迹切削厚度切削力

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单晶锗二维转鼓的加工工艺及检测方法研究

单晶锗二维转鼓的加工工艺及检测方法研究

作者：朱可可长春理工大学

学位级别：硕士

目前光学探测器被广泛的应用在各个领域,随着科技的快速发展其需求量也逐渐增加,单晶锗二维转鼓作为光学探测器中的核心元件,由于其不规则性及晶体特殊性,制约着光学探测器普遍使用的前提,因此高效生产满足各项技术指标要求的二维转鼓... 详细信息

目前光学探测器被广泛的应用在各个领域,随着科技的快速发展其需求量也逐渐增加,单晶锗二维转鼓作为光学探测器中的核心元件,由于其不规则性及晶体特殊性,制约着光学探测器普遍使用的前提,因此高效生产满足各项技术指标要求的二维转鼓是超精密加工及检测的关键问题。单晶锗属于脆性材料,具有高脆性、易碎、硬度高、断裂韧性低和各向异性的特征,传统的加工方法很难保证转鼓各折射面的面形精度及表面质量,必须要釆用超精密加工技术,通过控制切削工艺参数实现脆塑转变,从而使材料以塑性域切削方式去除。确定一套最佳的单晶锗二维转鼓超精密加工工艺及寻找一种合理有效的检测方法至关重要。本文基于单晶锗二维转鼓的不规则性和晶体的各向异性特征,通过脆塑转变切削厚度和最小切削厚度,确定塑性域切削条件,确定{100}晶面、{110}晶面及{111}晶面脆塑转变临界切削厚度分布规律,建立单晶锗超精密加工刀具刃口切削力模型,分析切削过程中的关键影响因素。建立单晶锗超精密切削的正交切削模型,分析切削参数和刀具参数的变化对单晶锗切削过程中水平切削力和径向切削力及切屑形态的影响规律,判断脆塑转变临界切削厚度及最小切削厚度与刀具刃口钝圆半径的关系,研究{100}晶面、{110}晶面及{111}晶面对切削过程中切削力的影响规律。通过{110}晶面不同切削工艺参数的飞切试验,分析不同加工工艺参数对加工表面质量的影响规律,对飞切工艺参数进行优化,从而获得一套最佳的转鼓飞切工艺参数。基于二维转鼓角度检测方法,设计并搭建转鼓测角平台测量系统,该检测方法可实现转鼓二维角度的一体化测量,最终形成具有加工工艺及检测方法的完整性系统。

关键词：光学探测器超精密加工飞切脆塑转变最小切削厚度测量系统

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紫铜的微细铣削试验与机理研究

紫铜的微细铣削试验与机理研究

作者：刘力华侨大学

学位级别：硕士

随着微小型技术在民用和国防领域的迅猛发展,对微小型产品的需求逐年增加,微细加工是制造微小型产品的关键支撑技术。微细铣削由于诸多明显优势,是微细加工技术群中重要组成,成为微小型零件的主要制造方法。为实现高精密微细铣削加工,... 详细信息

随着微小型技术在民用和国防领域的迅猛发展,对微小型产品的需求逐年增加,微细加工是制造微小型产品的关键支撑技术。微细铣削由于诸多明显优势,是微细加工技术群中重要组成,成为微小型零件的主要制造方法。为实现高精密微细铣削加工,本文针对微细铣削过程中等效前角和最小切削厚度的作用机理开展深入研究,主要研究工作如下:(1)为准确的评价微细铣削过程中的负前角切削状态,提出等效前角计算模型,发现当实际切削厚度小于刀刃钝圆半径时,切削过程将处于严重负前角切削状态,通过等效前角曲线得到最小切削厚度值。通过微细铣削试验发现,最小切削厚度会导致切削力信号不稳定,在切削力时域信号中形成周期性峰值,在切削力频域信号中形成较多的低频段特征,发生严重尺寸效应。(2)建立微细铣削中理论表面粗糙度的计算模型,通过微细铣削试验发现,随着每齿进给量减小,表面粗糙度先逐渐下降随后又逐渐上升,当等于最小切削厚度时可获得最优表面粗糙度。随着刀具的旋转,瞬时切削厚度发生变化,工件表面可分为两侧犁耕区和中间剪切区,粗糙度不同位置分布呈现W形状,随着每齿进给量增加,粗糙度不同位置分布的W形状越来越明显。(3)分析微细铣削中泊松毛刺和出口毛刺的形成机理,通过微细铣削试验发现,顶端毛刺可分为羽毛状、破碎状、毛茸状、锯齿状和墙壁状顶端毛刺五类,出口毛刺可分为片状和翻卷状两类。基于毛刺形态和尺寸的结果分析,提出加工参数优化、加工轨迹选择和辅助工艺方法三个方面的抑制毛刺形成加工策略。

关键词：微细铣削等效前角最小切削厚度表面粗糙度毛刺形成

典型镍基高温合金微切削有限元仿真与试验研究

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典型镍基高温合金微切削有限元仿真与试验研究

作者：王帅洁长春理工大学

学位级别：硕士

由于高温合金在高温环境下依旧具有良好的材料特性,因此,高温合金类零件在航空领域得到广泛应用。但是,高温合金材料的热导率很低,材料中含有大量的硬质点增强相,会导致切削加工过程中切削力大、表面硬化严重、刀具过快磨损、加工表面... 详细信息

由于高温合金在高温环境下依旧具有良好的材料特性,因此,高温合金类零件在航空领域得到广泛应用。但是,高温合金材料的热导率很低,材料中含有大量的硬质点增强相,会导致切削加工过程中切削力大、表面硬化严重、刀具过快磨损、加工表面质量不易控制等问题,是一种典型的难加工材料。本文以Inconel718为研究对象,通过有限元和试验相结合的方法对高温合金的微切削加工进行研究,主要工作如下:（1）对Inconel718微切削的材料去除过程进行了理论分析,为进一步表面完整性的研究提供理论支撑。一方面,通过理论模型预测最小切削厚度的区间范围,在此基础上设计正交切削试验,研究表面完整性指标随切削深度的变化规律,并基于ABAQUS建立CEL（Coupled Eulerian Lagrangian）微切削仿真模型,对最小切削厚度的形成进行了仿真分析,结合有限元仿真和试验结果最终得出Inconel718微切削的最小切削厚度范围为7-15μm。另一方面,通过建立Inconel718晶粒尺度微观切削仿真模型,对Inconel718微切削锯齿形切屑的形成过程进行了分析,研究了切削过程中工件应力场、温度场及切削力的演化历程,并通过试验对仿真结果进行了验证。（2）以切削速度、进给速度和切削深度作为试验变量进行了Inconel718微切削单因素试验,分析了切削速度、进给速度和切削深度对已加工表面粗糙度、残余应力、显微硬度以及变质层厚度的影响规律,并结合材料去除机理分析了切削参数对表面完整性的影响。（3）以刀具磨损为指标,采用有限元仿真方法分析了Inconel718微切削过程中刀具的应力场、温度场分布特征及刀具失效原因;设计刀具磨损试验,分析了不同刀具磨损阶段对切削过程的影响,通过能谱和刀具表面微观形貌进行了刀具磨损机理研究;综合以上研究结果最终确定了Inconel718微切削加工刀具耐用度的合理区间。

关键词： Inconel718 最小切削厚度 CEL切削仿真刀具磨损表面完整性

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基于分子动力学的微细切削尺寸效应研究

基于分子动力学的微细切削尺寸效应研究

作者：钱干南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着社会的发展和工业的进步，微小型化技术变得越来越重要，微细铣削技术是介观尺度制造技术之一，可在小型化机床上加工任意材料、三维复杂形状的微小零件，该领域得到了国内外学者的重视。但是微细切削规律并不仅仅是宏观切削规律的... 详细信息

随着社会的发展和工业的进步，微小型化技术变得越来越重要，微细铣削技术是介观尺度制造技术之一，可在小型化机床上加工任意材料、三维复杂形状的微小零件，该领域得到了国内外学者的重视。但是微细切削规律并不仅仅是宏观切削规律的简单的比例缩小，其中会产生最小切削厚度和尺度效应等现象，经典的简化切削理论不能解释这些现象。为了研究清楚微细切削规律，为微细切削加工提供理论指导，研究清楚其中的机理具有重要的理论意义和实践指导的价值。本文基于切削刃钝圆对经典的简化切削理论进行了改进，并采用分子动力学软件LAMMPS对微细切削过程进行了仿真模拟。主要研究微细切削过程中的很重要的几个现象：最小切削厚度、切削刃钝圆导致的尺寸效应、材料缺陷导致的尺寸效应和微细切削力。主要进行了以下几个方面的工作：首先，对于微细切削过程，建立分子动力学的微细正交切削仿真模型。其次，建立了基于切削刃钝圆的微细切削力和切削比能的力学模型，并用分子动力学的仿真模拟结果对该模型进行了检验。第三，运用分子动力学对材料点缺陷所导致的尺寸效应进行了研究。最后，运用分子动力学对切削宽度、切削速度、切削刃钝圆半径和刀具设计前角等因素对微细切削力的影响进行了研究。

关键词：尺寸效应微细切削最小切削厚度切削力钝圆

微型三轴切削机床的设计与微细切削工艺实验研究

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微型三轴切削机床的设计与微细切削工艺实验研究

作者：黄凯上海交通大学

学位级别：硕士

近年来,伴随着航空航天、医疗电子等多个领域中产品小型化的设计与开发趋势,具有复杂三维形貌特征的微小型零件的高效高精度加工制造也越来越多地受到人们关注。传统的超精密加工装备存在占地面积大、使用维护成本高、能源消耗大等缺点... 详细信息

近年来,伴随着航空航天、医疗电子等多个领域中产品小型化的设计与开发趋势,具有复杂三维形貌特征的微小型零件的高效高精度加工制造也越来越多地受到人们关注。传统的超精密加工装备存在占地面积大、使用维护成本高、能源消耗大等缺点,而衍生于微电子技术的MEMS技术难以加工复杂三维形貌的产品,同时受制于有限的加工材料;因此这两种技术均不适合微小型零件的现代化快速响应制造要求。此时,融合了传统机加工技术、数控技术以及小型化机床技术的微细切削制造技术,因其相对较高制造精度和相对较低生产成本的综合优势得到了国内外学术界的广泛关注。本文以微型三轴切削机床的设计为基础,在微型机床实验平台上开展了对微铣削过程中最小切削厚度、切削力及表面形貌的研究,采用直角切削有限元仿真和微细切削实验的方法对微细切削过程中的最小切削厚度进行了分析,同时建立了切削力和表面粗糙度的经验公式,对切削参数进行了优化选择。本文旨在为微型机床的工业化应用和薄筋件微细切削加工参数优化做出探索,优化小型化零件的微细切削工艺过程。具体的研究工作还包括:立式微型三轴切削机床的研制;针对惯性导航零件的加工技术指标,设计开发了一套立式三轴微型数控机床系统,包括直线电机在竖直方向运动时的气缸配重设计、切削力测量系统的搭建以及机床龙门结构的优化设计。通过有限元仿真分析表明所设计的三心拱龙门结构的静动态刚度相对传统龙门结构分别提高了12.8%和14.8%。随后通过锤击实验检测了三心拱结构固有振动频率,进一步对微型切削机床整机系统进行了有限元仿真分析,得到了微型数控机床整机的静力变形图,并对主轴夹持部分进行了改进设计。随后通过双频激光干涉仪对X、Y、Z运动轴的定位精度进行了检测。最后给出了一组零件薄壁筋特征的加工实例。微细切削过程中最小切削厚度与刀具刃口圆弧半径关系的建立。首先应用位错理论分析了考虑尺寸效应下的材料本构模型修正,进一步在Deform仿真软件中进行正交直角切削过程有限元仿真分析获得恒弹合金材料最小切厚与刀尖刃口圆弧半径的关系;最后通过槽铣削实验中切削力和表面形貌的变化规律对上述关系进行了验证。微细切削过程中切削力指数模型的建立。在获得最小切削厚度值的基础上,分犁切和剪切两个切削状态分别建立切削力关于切削厚度的指数模型。通过直角切削仿真实验对模型的系数进行拟合计算。最后通过两刃微铣刀的单齿切削实验对所建立的切削力模型进行了验证。微细切削表面粗糙度的实验研究与工艺参数优化。首先选取每齿进给量、切削速度和切削深度这三个因素设计单因素实验,获得这三个参数对表面粗糙度的影响程度及规律,随后设计中心组合实验建立表面粗糙度的二次曲面响应模型,并对预测模型的显著性进行了检验。最后结合等高线图,以提高材料去除率为目标,对指定表面粗糙度下的切深及切削速度等参数进行了优化。

关键词：微型机床最小切削厚度微细切削力表面粗糙度工艺参数

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无氧铜的微细铣削加工切削仿真与实验研究

无氧铜的微细铣削加工切削仿真与实验研究

作者：田璐西安理工大学

学位级别：硕士

随着各类高精密小微零件在航空航天、生物医学、电子、光学及精密仪器等领域的需求不断增加,零件小微化的加工和制造已经引起了人们广泛的关注,成为现代科学研究的热点问题。由于小微产品的功能越来越多,结构越来越复杂,使得微小零件通... 详细信息

随着各类高精密小微零件在航空航天、生物医学、电子、光学及精密仪器等领域的需求不断增加,零件小微化的加工和制造已经引起了人们广泛的关注,成为现代科学研究的热点问题。由于小微产品的功能越来越多,结构越来越复杂,使得微小零件通常具有复杂的小尺寸几何特征,采用微细加工技术可实现这些复杂三维特征零件的加工,适用于各种金属材料及非金属材料,因而得到了广泛的应用。微细切削加工并非简单的将宏观切削过程的尺寸缩小,尺寸的减小使得微细加工表现出不同于宏观切削的切削特性,如尺度效应和最小切削厚度现象等,这些特征使得传统宏观加工经验不能直接地运用于微细切削加工中。本文以金属材料无氧铜为研究对象,开展微细铣削机理的相关研究,建立了无氧铜材料的本构模型,基于ABAQUS完成了该材料介观尺度铣削加工的仿真分析,并完成了微细切削相关实验,为以后的应用奠定理论基础。主要的研究内容如下:(1)介观尺度切削无氧铜本构模型建立及仿真应用基于位错机制的应变梯度理论,考虑材料的微观结构特性,建立介观尺度下的材料本构模型,对理论推导出来的介观尺度下的材料本构模型进行分析研究,得到不同切削条件下的应力-应变曲线。在此基础上考虑刀具切削刃半径、材料断裂失效准则等,建立有限元仿真模型,应用所建立的仿真模型对介观尺度下尺度效应的产生机理进行分析研究。通过仿真,证明了刀具的切削刃半径是微细加工中最小切削厚度现象产生的原因。(2)介观尺度铣削无氧铜铣削力建模及实验研究基于滑移线场理论,建立介观尺度下无氧铜材料铣削力模型。并通过铣削实验对此模型进行了验证,证明模型具有一定的准确性。采用解析模型及实验的方法,分析得到主轴转速、每齿进给量及轴向切深分别对于铣削进给力及进给法向力的影响。通过极差与方差分析得到这三种因素的影响大小关系。最后,通过实验和三维仿真的方法研究了微细铣削所表现的尺度效应——切削比能,同时研究了刀具切削刃半径对微细铣削加工中铣削力的影响,为以后的理论研究提供基础。(3)介观尺度铣削表面粗糙度研究基于无氧铜微细铣削铣槽实验,将实验所得到的槽对其槽底进行表面粗糙度测量,并采用底面中心线上的表面粗糙度作为评价铣削成形质量的标准,研究不同的切削参数对表面粗糙度影响规律。

关键词：微细铣削尺度效应最小切削厚度切削力表面粗糙度

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基于SPH法的微细切削模拟研究

基于SPH法的微细切削模拟研究

作者：邓昀南京航空航天大学

学位级别：硕士

微小型化技术在诸多领域有着广阔的应用前景,做为介观尺度制造技术之一的微细加工技术可在小型化机床上加工任意材料、三维复杂形状的零件,得到了国内外学者的格外重视。但微细切削并不仅仅是宏观切削简单的比例缩小,它具有尺度效应和... 详细信息

微小型化技术在诸多领域有着广阔的应用前景,做为介观尺度制造技术之一的微细加工技术可在小型化机床上加工任意材料、三维复杂形状的零件,得到了国内外学者的格外重视。但微细切削并不仅仅是宏观切削简单的比例缩小,它具有尺度效应和最小切削厚度等现象,而这些现象无法通过宏观切削理论来解释。因此针对微细切削过程,研究其机理特点具有非常重要的理论意义和和实践指导价值。本文在分析微细切削技术研究现状及总结各种数值模拟方法优缺点的基础上,采用SPH-FEM耦合的方法对微细切削过程进行仿真研究,主要进行了以下几个方面的工作: （1）分析了SPH方法的基本原理及其在LS-DYNA中的具体实现过程,针对微细切削特点,建立基于SPH-FEM耦合的正交仿真模型,并对仿真结果进行试验验证。（2）基于建立的仿真模型,模拟微细切削过程,分析了切屑形成过程及钝圆半径对切屑形态的影响,采用理论分析和仿真相结合的方法探讨了最小切削厚度现象。并就切削厚度、切削深度、切削速度、切削刃钝圆半径等因素对微细切削力的影响进行了深入研究。（3）基于建立的仿真模型,针对微细加工表面粗糙度和表面残余应力进行了探索性研究,分析了钝圆半径和切削厚度对表面粗糙度的影响,并就加工参数和刀具几何对表面残余应力的影响进行了深入分析。

关键词：最小切削厚度微细切削 SPH-FEM耦合切削力表面粗糙度残余应力

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紫铜表面铣削加工微结构及超疏水特性研究

紫铜表面铣削加工微结构及超疏水特性研究

作者：王成安桂林理工大学

学位级别：硕士

随着现代制造行业的迅速发展,微小型零件的市场需求日益增加,特别是在生物医疗、通讯电子、航空航天、军事工业和精密仪器等领域中有着广阔的应用前景,这使得微切削精密加工技术备受关注。和常规切削加工相比,微切削加工材料去除机理更... 详细信息

随着现代制造行业的迅速发展,微小型零件的市场需求日益增加,特别是在生物医疗、通讯电子、航空航天、军事工业和精密仪器等领域中有着广阔的应用前景,这使得微切削精密加工技术备受关注。和常规切削加工相比,微切削加工材料去除机理更加复杂、加工过程参数控制更为严格、加工精度更难以得到保证,所以微切削加工技术已成为当前研究的热点。由于紫铜常作为微电极的材料,本文以紫铜表面微铣削加工为研究对象,研究紫铜表面微铣削加工最小切削厚度、紫铜微铣削加工刀具断裂影响因素以及紫铜表面微结构具有超疏水特性等相关问题。使用ABAQUS软件完成微铣削加工仿真,并进行最小切削厚度和刀具断裂方面仿真分析,再对紫铜表面进行微结构加工相关实验。因为微结构是物体表面具有超疏水性能前提条件,所以在微铣削加工的基础上进行超疏水性能的研究。首先,对微铣削加工紫铜进行仿真分析,当使用?0.15mm微铣刀,铣削加工深度达到0.9μm时,发现前刀面有少许切屑,因此确定紫铜工件的最小切削厚度为0.9μm。当进给速为30mm/min、刀具转速为10000r/min、铣削深度大于0.03mm时,刀具发生了断裂;当铣削深度为0.02mm、刀具转速10000r/min时,在30～150mm/min范围内改变进给速度,刀具均未发生断裂;在铣削深度为0.02mm、进给速度为30mm/min时,当刀具转速达到17000r/min时,刀具发生了断裂。对仿真数据进行极差分析,得出铣削深度对微铣刀断裂的影响最大,其次是铣刀转速,影响最小的是进给速度;再进行方差分析,得出铣削深度的方差比为1.68,进给速度方差比为0.644,刀具转速方差比为0.673,结果和极差分析相同。然后开展紫铜微铣削加工实验,验证了最小切削厚度正确性及切削加工因素对刀具断裂的影响,加工出了质量较好的紫铜表面微结构。最后对紫铜微铣削加工表面微结构超疏水性能进行分析,得出随着沟槽宽度的增大,接触角出现增大现象;随着凸起宽度的增加,接触角出现先增大后减小现象;随着沟槽深度的增加,接触角先出现增大现象,然后出现减小再增大变化现象。

关键词：紫铜微铣削加工最小切削厚度刀具断裂超疏水性能