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1、微機(jī)械系統(tǒng)在高技術(shù)領(lǐng)域如航空航天、小衛(wèi)星以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用,其性能和使用壽命受到微機(jī)械零件的制造工藝影響較大。在微機(jī)械加工領(lǐng)域內(nèi),傳統(tǒng)的制造方法是采用大型超精密機(jī)床銑削微小零件,但是存在成本較高、機(jī)械爬行難以控制、資源和能源浪費(fèi)較大等問(wèn)題。隨著小機(jī)床的出現(xiàn)和不斷改進(jìn),微小零件的加工主要由小機(jī)床進(jìn)行。與傳統(tǒng)銑削相比,微銑削工藝也存在工件表面粗糙度較大、工件表面有微小翻邊和毛刺、工件表面殘余拉應(yīng)力等,這些因素不利于提高產(chǎn)品的精度和使
2、用壽命,所以改善微銑削加工勢(shì)在必行。已經(jīng)有學(xué)者提出采用超聲振動(dòng)和微切削結(jié)合的方法可以有效提高微切削工件質(zhì)量,這方面主要有超聲振動(dòng)微鉆削、超聲振動(dòng)微刨削及超聲振動(dòng)微車(chē)削,而在超聲振動(dòng)微銑削方面的報(bào)道還比較少。加入超聲振動(dòng)可以解決在微銑削過(guò)程中出現(xiàn)的表面粗糙度值較大、加工表面微小翻邊和毛刺等問(wèn)題,同時(shí)改善微銑削工件表面殘余應(yīng)力狀態(tài),提高微銑削工件的精度、表面質(zhì)量、耐腐蝕特性和使用壽命。
本文為解決微銑削加工金屬和脆性材料過(guò)程中出現(xiàn)
3、的問(wèn)題和提高加工精度以及提高表面質(zhì)量而提出了在微銑削的基礎(chǔ)上加入超聲振動(dòng)的方法。本文論述主要由以下幾方面進(jìn)行。
首先根據(jù)超聲換能器及變幅桿理論進(jìn)行超聲振子設(shè)計(jì)。同時(shí)設(shè)計(jì)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)工作臺(tái)。由于本課題的超聲振動(dòng)銑削系統(tǒng)應(yīng)用于銑削硬質(zhì)合金,銑削力較大且超聲振子的振幅要求較大,反向彈簧確保扭轉(zhuǎn)工作臺(tái)和超聲振子同頻率振動(dòng),通過(guò)理論設(shè)計(jì)的一級(jí)錐形變幅桿不能滿足實(shí)驗(yàn)需要應(yīng)進(jìn)一步放大,因此在一級(jí)變幅桿末端加入一個(gè)階梯型變幅桿。通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)
4、出的振子理論上可以滿足實(shí)驗(yàn)需要,但是實(shí)際中由于振子的負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化,負(fù)載變化直接導(dǎo)致振子在激勵(lì)頻率不變時(shí)固有頻率偏移,那么在一些情況下振子難以正常工作。由于振子的工作帶寬直接取決于振子的尺寸,為了增加帶寬和確保振子正常工作,本文采用有限元軟件 ANSYS進(jìn)行了振子尺寸和固有頻率的優(yōu)化,最后設(shè)計(jì)出適合本課題的超聲振子。
對(duì)微銑削以及超聲振動(dòng)微銑削加工硬質(zhì)鋼進(jìn)行了切削力數(shù)學(xué)理論方面的研究。本文將切削過(guò)程適當(dāng)簡(jiǎn)化,將銑刀刀尖與
5、工件的接觸點(diǎn)復(fù)坐標(biāo)化。以相鄰兩個(gè)周期的切削點(diǎn)的坐標(biāo)相減得到微銑削過(guò)程中切削厚度方程,以切削厚度與實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的切削系數(shù)的乘積作為微銑削力。同樣方法推導(dǎo)出超聲振動(dòng)微銑削力的方程。應(yīng)用動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)理論解釋超聲振動(dòng)微銑削工件材料裂紋的擴(kuò)展對(duì)切削力的影響,從裂紋擴(kuò)展機(jī)理方面解釋了超聲振動(dòng)微銑削切削力減小的原因。在建立了超聲振動(dòng)微銑削理論模型之后,建立了超聲振動(dòng)微銑削力有限元模型,通過(guò)模擬得出加入超聲振動(dòng)后微銑削力降低的結(jié)論,表明仿真果與理論分析結(jié)
6、果趨勢(shì)一致。
建立了超聲振動(dòng)微銑削工件表面殘余應(yīng)力的仿真模型,適當(dāng)簡(jiǎn)化銑刀和工件。工件材料選擇 Johnson-Cook本構(gòu)方程來(lái)描述。切屑形成過(guò)程采用Johnson-Cook斷裂法則描述。經(jīng)過(guò)顯式計(jì)算得到去除工件約束后表面殘余應(yīng)力分布圖。再分別提取同一個(gè)參考點(diǎn)在 S11方向和 S22方向的殘余應(yīng)力。然后通過(guò)模擬得到超聲振動(dòng)微銑削工件表面殘余應(yīng)力隨著刀具幾何參數(shù)變化、切削參數(shù)變化和振動(dòng)參數(shù)變化的規(guī)律。
在五軸小機(jī)床上
7、加入超聲振子、超聲振動(dòng)扭轉(zhuǎn)工作臺(tái)、超聲波發(fā)生器以及測(cè)力儀、CCD相機(jī),建立了超聲振動(dòng)微銑削系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行了4340鋼和玻璃的銑槽實(shí)驗(yàn)。通過(guò)銑槽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲振動(dòng)微銑削力降低的結(jié)論。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡觀察加工后的工件表面形貌得出超聲振動(dòng)微銑削工件表面質(zhì)量改善,同時(shí)得到銑刀變形改善、工件抗腐蝕性能改善的規(guī)律。通過(guò) X射線法測(cè)量工件表面的殘余應(yīng)力得到超聲振動(dòng)微銑削工件表面的殘余應(yīng)力降低的結(jié)論。通過(guò)對(duì)玻璃的銑槽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加入超聲振動(dòng)后脆
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