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机械工程学报 2016年第3期52卷 169-178页

作者：聂强黄凯毕庆贞朱利民上海交通大学机器人研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

通过研究刀具实际切削过程中的余摆线轨迹及其影响,提出一种新的瞬时切厚解析计算方法,并针对两齿、四齿的情况给出瞬时切厚的具体计算公式。在两齿和四齿铣槽工况下,分析刀具跳动量和跳动角度对各齿切削过程的影响。该方法考虑刀具的... 详细信息

通过研究刀具实际切削过程中的余摆线轨迹及其影响,提出一种新的瞬时切厚解析计算方法,并针对两齿、四齿的情况给出瞬时切厚的具体计算公式。在两齿和四齿铣槽工况下,分析刀具跳动量和跳动角度对各齿切削过程的影响。该方法考虑刀具的综合径向跳动(包括主轴跳动,刀具制造安装误差等综合形成的径向跳动值),适用于微铣削中任意齿数刀具瞬时切厚的计算。通过与宏观铣削中的传统切厚计算公式、BAO模型和Newton-Raphson等数值法对比,量化指出了微细铣削加工与传统宏观铣削加工的一些不同,同时验证了提出的方法具有计算简洁、精度高和通用性强的优势。基于该模型进行了微铣削铣槽试验中切削力的预测,预测结果和试验结果相符良好,验证了模型的正确性和实用意义。

关键词：微铣削加工机理刀具跳动刀具轨迹瞬时切厚

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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

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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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