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超精密铣削力建模与实验研究

超精密铣削力建模与实验研究

作者：彭维南昌大学

学位级别：硕士

超精密加工技术是一种精度极高的机械加工技术,能够获得亚微米级形状精度以及纳米级表面精度的制品,主要应用领域为核能、集成电路以及航天等高端科技领域。超精密铣削是超精密加工技术的一种,是超精密加工众多加工类型如车削、磨削和... 详细信息

超精密加工技术是一种精度极高的机械加工技术,能够获得亚微米级形状精度以及纳米级表面精度的制品,主要应用领域为核能、集成电路以及航天等高端科技领域。超精密铣削是超精密加工技术的一种,是超精密加工众多加工类型如车削、磨削和飞切等加工技术中应用最广泛的机械加工技术,其具有优秀的三维加工能力,常被用于微小零件和复杂结构的加工上。对超精密铣削的切削机理的研究是提高加工稳定性的重要过程,同时有利于提高加工质量、降低加工成本、延长刀具寿命、优化铣削参数。本文针对单点金刚石球头铣刀的超精密铣削力,展开了理论建模和实验研究,其主要工作内容总结如下:(1)铣削力模型建立。对铣刀的几何形状和运动进行了准确的数学描述,推导了测力仪信号转化到铣削刃坐标系的变换方程,分别采用实体模型法和Z-MAP法对刀具和工件的接触区域进行了建模。通过研究分析刀工接触模型,最终建立了基于高速铣削力模型并且考虑铣刀球面受力的超精密铣削力模型。(2)铣削力模型求解。首先,使用了ABAQUS有限元仿真软件确定了加工材料黄铜的最小铣削厚度和刃口半径的关系;然后,使用MATLAB编程模拟铣削过程刀具和工件的位姿变化,得到了铣削刃和球面的瞬时铣削厚度;最后,研究了铣削过程中铣刀受力的情况,采用有限仿真法和平均铣削力法求解铣削力系数,完成了求解铣削力系数。(3)铣削实验研究。进行了多组铣削力测量试验,得到了球面铣削力系数和铣削刃塑性区铣削力系数辨识结果,将建立的铣削力预测模型和试验测得的铣削力对比,两者具有良好的一致性。综上,本文建立的超精密铣削力模型,结合了刀工接触模型和高速铣削力模型,实现了对单点球头铣刀在超精密铣削过程受力变化趋势的准确预测,对今后研究人员进行铣削力建模具有一定的参考价值,并且有利于超精密切削机理的进一步研究。

关键词：超精密加工超精密铣削铣削力刀工接触模型瞬时铣削厚度

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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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光学零件超精密铣削加工表面形貌预测与仿真

光学零件超精密铣削加工表面形貌预测与仿真

作者：魏立峰华中科技大学

学位级别：硕士

对光学零件超精密铣削加工来说,表面形貌仿真是非常重要的,因为其直接影响表面质量尤其是表面粗糙度。由于人们对超精密加工的研究还不够深入,目前尚缺乏能够清晰解释已加工表面残留高度生成机理的模型,也无法解释各种工艺参数对表面形... 详细信息

对光学零件超精密铣削加工来说,表面形貌仿真是非常重要的,因为其直接影响表面质量尤其是表面粗糙度。由于人们对超精密加工的研究还不够深入,目前尚缺乏能够清晰解释已加工表面残留高度生成机理的模型,也无法解释各种工艺参数对表面形貌的影响。本文通过对超精密铣削加工表面残留高度产生的机理进行研究,建立超精密铣削加工表面形貌的预测模型,分析加工参数对表面形貌的影响,并对加工参数进行优化,主要内容如下: 在分析超精密铣削加工表面残留高度形成机理的基础上,得出纵向残留高度与横向残留高度均对超精密铣削加工表面形貌产生重要影响的结论。建立超精密铣削加工表面形貌的预测模型,在球头铣刀加工运动包络面的求解过程中,采用投影算法,能够直接计算加工表面上对应点的残留高度,从而实现加工表面形貌的预测。以自由曲面光学零件超精密铣削加工为例,分析球头刀半径、每齿进给量以及走刀行距等加工参数对加工表面形貌的影响,找出加工表面形貌随加工参数的变化规律。通过仿真实例,验证了每齿进给量和切削行距是影响超精密铣削加工表面形貌的最重要因素。利用正交实验,以加工精度和加工效率为两个优化指标,对诸如球头刀半径、进给速率、切削行距以及刀具主轴转速等加工参数进行优化。通过极差分析和方差分析,找出最优的加工参数水平值。以获得的最优加工参数值作为加工条件,进行了超精密铣削加工仿真验证。建立超精密铣削加工表面形貌仿真模块,对超精密铣削加工表面形貌进行仿真,验证超精密铣削加工表面形貌预测模型的正确性。同时,该模块也实现了加工参数的优化等功能。

关键词：超精密铣削表面形貌仿真参数优化光学零件

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超精密铣削的三维微加工工艺

国防科技参考 1997年第3期18卷 31-35页

作者： K.Sawada T.Kawai 彭莉日本东京电子通讯大学机械及控制工程部日本TANUC公司基础研究实验室

本研究旨在对用于获取有雕刻表面金属工件的超精密微加工工艺进行探讨。研究中使用的是车床型的超精密铣床,由分辨率为1nm的X和Z向运动工作台及分辨率为0.0001度的可定位的C轴组成。作为一种铣削工具,一种改进型的由一颗水晶钻构成的“... 详细信息

本研究旨在对用于获取有雕刻表面金属工件的超精密微加工工艺进行探讨。研究中使用的是车床型的超精密铣床,由分辨率为1nm的X和Z向运动工作台及分辨率为0.0001度的可定位的C轴组成。作为一种铣削工具,一种改进型的由一颗水晶钻构成的“仿球尖铣刀”被放置在X轴的高速气浮轴承之上。这样一来,X轴和C轴的协调运动就可产生三维铣削的效果。为提高表面粗糙度,通过模拟我们研究的刀具边沿和工件表面的接触情况,结果发现,刀具低速进给时切削比较有效。作为三维微加工工艺的一个例子,运用数字仪提供的扫描数据在一个直径为3mm的铜表面上制作一个传统的NOH面罩。经证明,超精密铣床有潜力加工出表面粗糙度为69nm(P—V值)的工件。

关键词：超精密铣削三维微加工工艺超精密加工

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超精密铣削加工平面产生的误差分析

内燃机与配件 2017年第12期 6-7页

作者：王珊贵州理工学院贵阳550003

伴随着我国现代化工业的不断发展,对于超精密工件的铣削加工平面度也提出了更高的要求,本文将从工艺系统刚度以及飞刀铣削过程展开分析,对铣削加工平面所产生的误差进行深入性了解,希望可以更好地认识到平面误差出现的原因所在,想办法... 详细信息

伴随着我国现代化工业的不断发展,对于超精密工件的铣削加工平面度也提出了更高的要求,本文将从工艺系统刚度以及飞刀铣削过程展开分析,对铣削加工平面所产生的误差进行深入性了解,希望可以更好地认识到平面误差出现的原因所在,想办法去调整铣削加工的平面度。

关键词：超精密铣削加工平面误差分析

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超精密微细铣削加工技术

制造技术与机床 1996年第10期 10-12页

作者：沈连婠中国科学技术大学

介绍了日本ＦＡＮＵＣ公司和电气通信大学研究的一种新的微细加工系统──车床型超精密铣床，这台铣床具有无摩擦伺服系统和用于微细加工的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统，最小数控分辨率为１ｎｍ，实现了自由曲面微细切削加工。在对直径为１ｍｍ... 详细信息

介绍了日本ＦＡＮＵＣ公司和电气通信大学研究的一种新的微细加工系统──车床型超精密铣床，这台铣床具有无摩擦伺服系统和用于微细加工的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统，最小数控分辨率为１ｎｍ，实现了自由曲面微细切削加工。在对直径为１ｍｍ、高度差为３Ｏμｍ的复杂曲面进行的微细铣削加工中获得了ＲｚＯ．０５８μｍ的表面粗糙度。

关键词：微细加工超精密铣削铣削

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超硬脆材料的超精密加工技术研究

超硬脆材料的超精密加工技术研究

作者：赵卫河北工业大学

学位级别：硕士

目前,随着现代高技术的发展,硬脆材料(如工程陶瓷、光学玻璃、半导体、单晶硅、蓝宝石和石英晶体等)在电子、光学、仪器仪表、航空航天和民用等行业的应用越来越广泛。硬脆材料的加工主要采用研抛技术,但研抛技术生产周期长,产品成本高... 详细信息

目前,随着现代高技术的发展,硬脆材料(如工程陶瓷、光学玻璃、半导体、单晶硅、蓝宝石和石英晶体等)在电子、光学、仪器仪表、航空航天和民用等行业的应用越来越广泛。硬脆材料的加工主要采用研抛技术,但研抛技术生产周期长,产品成本高。近年来,随着超精密磨削技术的进步,使得磨削表面质量等同甚至优于研抛表面,并且加工效率大幅度提高。若能以铣削代粗、精磨,作为超精磨、超精研的前道工序,则会大大降低成本,提高生产率。但是目前对超精密铣削的研究还只是停留在初步阶段,因此开展硬脆材料的超精密铣削加工机理及铣削技术的研究具有重要的理论意义和使用价值。 1.在铣削力建模方面:在全面分析超精密铣削特点和硬脆材料本身的材质特性的基础上,分析了传统的切削力模型,初步建立了超硬脆材料单齿铣削力学模型,为进一步的研究打下了基础。 2.在实验研究方面:设计了专用金刚石铣刀并且在加工中心上对硬脆材料(氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、单晶硅)进行了铣削实验,通过分析表面粗糙度和切屑的变化得出如下结论: (1) 铣削参数的变化直接影响加工表面的表面形貌,选择合理的铣削参数可以得到高质量的表面形貌。 (2) 对实验中收集的加工切屑的分析得知:铣削参数的变化对切屑的形状参数变化的影响有限,切屑的形状参数变化主要有材料的结晶体参数决定。 (3) 利用实验结果推导出了硬脆材料铣削表面粗糙度预测模型,并进行了仿真研究。经过对仿真数据和实验数据的对比分析,验证了表面粗糙度预测模型的正确性。

关键词：硬脆材料超精密铣削表面粗糙度仿真切屑