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微尺度铣磨复合加工机理研究

微尺度铣磨复合加工机理研究

作者：徐皓东北大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,特别是航空航天、军工武器、通讯以及生物医药技术的发展,对微小零件的功能、精确性、可靠性的要求越来越高。微细切削技术是一种兼顾加工效率和产品质量的先进制造技术,具有单项技术的极限、常规技术的突破和高新技术... 详细信息

随着社会的发展,特别是航空航天、军工武器、通讯以及生物医药技术的发展,对微小零件的功能、精确性、可靠性的要求越来越高。微细切削技术是一种兼顾加工效率和产品质量的先进制造技术,具有单项技术的极限、常规技术的突破和高新技术综合三个方面的特点。采用微细切削技术可以实现多种材料任意形状微型三维零件的加工或者自由曲面的微型零件,从而满足社会对微小型零件的各种要求,是目前国内外研究的热点和重点。在微细切削加工技术中,微铣削是应用最为广泛的技术之一,以其高效率、高柔性成为一个极具开发潜力的方向。但是微铣削加工的表面质量相对较差,结果并不理想。微磨削可以解决微铣削中加工质量问题,但是其加工效率不高。所以本课题提出了全新的微加工工艺——微尺度铣磨复合加工,相比较微铣削加工可以提高加工表面质量,相比微磨削加工可以提高加工效率。本文对微尺度铣磨复合加工主要从以下几个方面进行探讨。 (1)通过分析微铣削与微磨削技术优缺点,提出了微尺度铣磨加工工艺,对微铣磨加工的基本原理进行了研究,并理论研究了微小磨粒对切削刃最小切屑厚度的影响。 (2)采用有限元仿真的方法,建立二维正交微切削有限元模型与基于单刃单磨粒的微铣磨有限元仿真模型,研究了最小切屑厚度,包括二维正交微切削切削刃的最小切屑厚度,微小磨粒的最小切屑厚度,最小磨粒对切削刃最小切屑厚度的影响,并分别用理论进行对照分析;又探讨了微铣磨切屑成型过程中力、温度、应力的分布情况;最后分析研究了不同磨粒半径、不同切削刃半径、不同切深与不同转速下微铣磨力和温度场中最高温度的变化规律。 (3)对比几种超硬磨料的涂覆方法,最终采用在微铣刀上电镀金刚石来制作微铣磨刀具以解决制作问题,其主要优点有成本比较低,制作工艺成熟,磨粒密度高,微磨削的效率比较高。 (4)采用不同的加工参数进行微铣磨与微铣削的单因素对比实验,根据实验分别得出相应变化曲线图并进行分析;通过实验结果分析然后探究微铣磨复合加工这种新的加工工艺的可行性。同时观测加工后微铣刀与微铣磨刀的表面情况,并对其进行对比分析。 (5)总结全文,根据实际情况,对未来的研究方向提一些意见。

关键词：微铣磨微切削最小切屑厚度有限元仿真表面粗糙度

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超精密铣削加工表面生成理论与实验研究

超精密铣削加工表面生成理论与实验研究

作者：余金杰南昌大学

学位级别：硕士

随着制造技术的不断发展进步,超精密加工技术逐渐为人们所熟知,但伴随高精度高质量而来的是加工成本的上升,单个工件加工往往需要耗费大量时间。因此想要短时间内获得尽可能多的经验参数,变得十分困难。另外,由于超精密加工的特殊性,其... 详细信息

随着制造技术的不断发展进步,超精密加工技术逐渐为人们所熟知,但伴随高精度高质量而来的是加工成本的上升,单个工件加工往往需要耗费大量时间。因此想要短时间内获得尽可能多的经验参数,变得十分困难。另外,由于超精密加工的特殊性,其使用的刀具往往与传统加工刀有很大不同,因此对最终加工表面生成形貌也需要进一步分析与研究。首先,本文通过对单点金刚石球形铣刀运动过程分析,使用刀具切削刃复印原理,建立基于刀具几何结构及其切削过程的表面生成模型,揭示了超精密铣削的基本过程。在此基础上分析探究了生产装配等原因所引起的刀具位置偏离对表面生成的影响,通过对算法的改进,进一步完善了基于铣刀运动过程的表面生成模型。其次,使用主轴多弹簧阻尼系统分析建立主轴的简谐振动模型,刻画了主轴振动对铣削表面生成的影响,得出振动频率只和系统本身的刚度和质量有关的结论。另外,在超精密铣削过程中,由于切削量极其微小,所以材料的弹性恢复也就不能视而不见。最小切屑厚度是考察材料弹性恢复最为重要的一个参数。本文使用ABAQUS有限元仿真软件确定了黄铜材料的最小切屑厚度为0.3倍的刀具刃口半径,而后建立考虑了主轴振动以及材料弹性恢复的表面生成模型。最后,通过铣削实验获得多组加工表面生成形貌,与表面生成模型的输出结果对比分析,二者取得了很好的一致性。综上,超精密铣削加工中铣刀的基本运动是表面生成的主要影响因素,但是主轴振动和材料弹性恢复对表面生成的影响也不可忽视。

关键词：超精密铣削表面生成主轴振动弹性恢复最小切屑厚度有限元仿真

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微细切削加工建模及相关工艺研究

微细切削加工建模及相关工艺研究

作者：聂强上海交通大学

学位级别：硕士

微细切削加工是指通过微细刀具切削加工几何特征在0.1μmmm的微小零件。微细切削加工技术不是传统宏观加工技术在尺寸上的简单缩小,它有许多不同于宏观加工的独特特征,如尺寸效应、最小切屑厚度等。这些特征使得传统宏观加工经验不能直... 详细信息

微细切削加工是指通过微细刀具切削加工几何特征在0.1μmmm的微小零件。微细切削加工技术不是传统宏观加工技术在尺寸上的简单缩小,它有许多不同于宏观加工的独特特征,如尺寸效应、最小切屑厚度等。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。因此为提升微细切削加工质量,本文主要以金属材料的微铣和微钻工艺为研究对象,分别从材料的去除机理、切屑成形及最小切屑厚度,切削力和表面质量,加工工艺优化等角度进行研究。主要研究内容如下:(1)三轴微细数控加工平台的开发与测试基于课题研究的需要,搭建了一台多功能三轴数控微细加工机床。该平台设计主轴最高转速为120000r/min,主轴跳动小于1μm。X、Y、Z平台分辨率为10nm,重复定位精度为100nm,行程分别为110mm、110mm和60mm。对该平台进行精度、动态性能、主轴跳动等测试,测试结果表明,所开发的数控加工平台在普通环境(非恒温隔振无尘环境)下其重复定位精度在100nm00nm,动态响应时间小于50ms,基本达到了设计要求,能够满足微细切削加工技术研究的需要。(2)切屑成形与最小切屑厚度的分析最小切屑厚度是在微细切削加工中的一项关键技术特征,其主要由刀具切削刃圆角半径等尺度效应因素综合形成。在分析微细切削过程中切屑的形成机理及其影响因素的基础之上,通过研究切厚在最小切屑厚度附近的切削力状态,以切削稳定性为条件,建立了正交切削过程中的最小切屑厚度理论计算模型。该模型表明,最小切屑厚度与最小切屑厚度附近的剪切角密切相关。随后进一步引入Bridgman效应系数对模型中的Merchant切削方程进行了修正,使模型更好地描述切削速度和温度等对最小切屑厚度的影响。在切削铝合金的实验中,理论计算最小切屑厚度为0.22er.38er,实验测量值为0.19er.33er,理论结果与实际结果基本一致。同时分别针对铣削和钻削过程中不同的刀刃切削轨迹,分析比较了微细切削和传统宏观切削在切厚计算上的不同,对后文分析微铣或微钻的切削过程奠定基础。(3)微铣削瞬时切厚的研究和切削力建模在微细铣削切削轨迹的分析基础之上,建立了考虑刀具径向跳动的瞬时切厚解析计算模型,该模型计算精度与Newton-Raphson等数值算法相当。随后在总结现有铣削力建模方法的基础上,基于对微铣削过程的具体认知,分别从切削截面积、切削刃长、多齿同时切削现象进行了分析研究,从而建立了微细铣削力的3D切削力模型,并通过切削力的频域分析给出简单而有效的模型参数识别方法。实际切削力的预测实验验证了模型的有效性。最后基于切削轨迹分析,对槽铣侧壁表面轮廓进行了探讨,并进行了相应的表面质量实验分析。(4)微钻削与超声振动辅助工艺的研究针对航空航天领域惯性导航件微型曲面深孔薄壁等典型特征的加工制造难题,首先分析了普通钻孔工艺的不足,介绍了超声振动辅助钻孔工艺在解决相关问题方面的优势。然后对超声振动辅助钻孔的工艺从切削轨迹、速度、变切削角效应以及引起的切削力变化进行了分析,探索工艺效果的来源,用以对实际加工提供一定指导作用。最后通过设计一款超声振动辅助加工工作台,分别进行了超声振动加工与其他加工方式的对比实验、平面孔和曲面孔的孔壁薄筋加工实验。实验结果表明,超声振动辅助钻孔工艺相比于普通钻孔工艺钻削轴向力减小16%,径向力减小30%9%,同时有效改善刀具的入钻滑移现象和孔的入口圆度、毛刺等形貌质量,有利于深孔薄壁的加工。

关键词：微细切削最小切屑厚度瞬时切厚铣削力建模超声振动辅助钻孔工艺

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微铣削机床的研制及微铣削实验研究

微铣削机床的研制及微铣削实验研究

作者：陈魁东北大学

学位级别：硕士

在工业的各个领域内对高精密的微小零件的需求正在不断增加,尤其是在航空航天、生物医学、电子通讯、环保等方面。微小零件的制造技术对于这些领域的发展至关重要,现有的微制造技术在制造微小零件方面各有各的优点。相对于其它的微加工... 详细信息

在工业的各个领域内对高精密的微小零件的需求正在不断增加,尤其是在航空航天、生物医学、电子通讯、环保等方面。微小零件的制造技术对于这些领域的发展至关重要,现有的微制造技术在制造微小零件方面各有各的优点。相对于其它的微加工技术来讲,微切削加工技术在高效率、高精度、低成本方面具有优势,特别适合于加工具有复杂的三维结构和曲面的微小零件,工件材料包括多种金属合金以及复合材料、塑料、陶瓷等可切削非金属材料。微铣削加工技术是微切削加工技术中最为柔性的加工技术之一,应用前景广泛。由于一般的铣床很难满足微铣削加工的要求,因此研制适合微铣削加工的机床成为了研究的热点。通过微铣削实验来研究微铣削加工机理和加工工艺也是目前微铣削加工技术研究的另一个热点。本文主要开展微铣削机床的研制工作和开展铣削实验研究,具体工作如下：首先,在分析了微铣削加工技术的特点和要求的基础上,研制适于微铣削加工的机床。采用模块化设计的方法,把机床的研制划分为几个模块,而后分别对各个模块进行构建。接着,通过机床进给系统位置精度的评定试验,来检验机床所能达到的位置精度。为了检验机床加工实际应用材料的能力,选择新型的血管支架材料镁合金作为加工对象,通过平面铣削试验和薄壁结构的铣削加工试验来评估机床的加工精度和加工性能。最后,对微铣削加工机理中最小切屑厚度对切屑形成过程和铣削力的影响进行了分析,从理论上预测了每齿进给量和铣削力的关系。而后进行直槽铣削加工实验,来考察每齿进给量对铣削力的影响,并验证上述预测。在直槽铣削加工实验中,还考察了铣刀的每齿进给量对槽底表面粗糙度的影响,并对其进行了分析。

关键词：微铣削最小切屑厚度微铣削机床