微細銑削工藝基礎(chǔ)與實驗研究.pdf

1、在微小零件日益廣泛應(yīng)用的今天，各領(lǐng)域?qū)ξ⑿⌒土慵男枨笤絹碓蕉鄻踊?，以微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）為代表的硅基材料微細加工技術(shù)逐漸因為可加工材料單一，可加工幾何形狀簡單而顯示出不足。利用微細切削特別是微細銑削技術(shù)加工微小零件是一個有潛力的發(fā)展方向。在微小型機床上進行微細銑削加工具有成本低、柔性強的特點，尤其適合于加工多種工程材料以及帶有復雜曲面的三維微結(jié)構(gòu)。在微細銑削中每齒進給量與

2、刀具切削刃直徑之比要高于常規(guī)銑削，而背吃刀量與切削刃鈍圓半徑在同一量級甚至更小，背吃刀量的微小變化都會帶來單位切削力的顯著變化，鑒于此類微細銑削中的特性問題，本文在系統(tǒng)分析國內(nèi)外有關(guān)微細切削加工裝備及相關(guān)切削機理研究的基礎(chǔ)上，對微細銑削的殘余應(yīng)力檢測、表面粗糙度預報、切削力建模及超細晶粒硬質(zhì)合金微刀具的磨損機理等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。
　　殘余應(yīng)力引起的任何微量變形都會對微型零件的工作性能產(chǎn)生重要影響，甚至直接導致其失效。由于受

3、到特征尺寸的限制，目前的測試手段在對微型零件加工后的殘余應(yīng)力表征方面還存在一定的困難。本文首先在自主研制的精密微型銑床上制備出了3J21恒彈性合金薄膜微槽結(jié)構(gòu)，此微結(jié)構(gòu)可用于某關(guān)鍵國防武器的導航部件之中。然后將MEMS技術(shù)中研究硅基薄膜力學特性的微橋法引入金屬微細切削領(lǐng)域，基于納米壓痕及彈性力學薄板理論建立3J21恒彈性合金薄膜微槽結(jié)構(gòu)加載下的力學模型，得到此微結(jié)構(gòu)底部極薄部分的楊氏模量為56.05±3.96Gpa，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，其

4、值為189.4±3.61MPa。
　　表面粗糙度是衡量已加工表面質(zhì)量的主要指標之一，當前研究中對微細銑削表面質(zhì)量控制的關(guān)注不足。文中利用響應(yīng)曲面法（RegressSurfaceMethod，RSM）進行多元非線性回歸，建立了表面粗糙度的預報模型，方差分析顯示此模型可以在97.5％的置信水平上反映表面粗糙度與輸入?yún)⒘恐g的相關(guān)性。以表面粗糙度為目標，以各切削參量的輸入水平為約束，利用序列二次規(guī)劃方法得到了微細銑削的最佳切削參量組合，

5、實際加工后檢測結(jié)果與理論最優(yōu)解之間誤差8.1%，證明了優(yōu)化組合的正確性。利用析因設(shè)計分析切削參量的主效應(yīng)及交互效應(yīng)對加工表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：與常規(guī)銑削不同，在微立銑中刀具直徑和懸伸量對表面粗糙度的影響要遠大于軸向切深和每齒進給量，其主次依次為刀具直徑、刀具懸伸量、軸向切深和每齒進給量；另外在尺寸效應(yīng)的作用下，表面粗糙度并不隨著每齒進給量的減小而一直減小，而是當每齒進給量小于其最小切削厚度后，每齒進給量的減小反而會帶來表面質(zhì)量的變差

6、。
　　切削力對于研究微細銑削機理，制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)以及監(jiān)控切削過程具有重要意義?；诩羟?滑移線場理論建立微細銑削三維切削力模型。所建模型考慮了常規(guī)銑削力模型中忽略的切削刃鈍圓半徑、最小切削厚度以及耕犁域彈性恢復對微細切削力的影響；模型中以瞬態(tài)未變形切削厚度算法來體現(xiàn)微銑刀切削刃的次擺線運動軌跡。所建模型與傳統(tǒng)銑削模型相比，其仿真結(jié)果可以更好的吻合切削力測量曲線（最大誤差11%）；另外在實驗基礎(chǔ)上研究了了切削

7、參量對切削力的影響規(guī)律。
　　對刀具磨損形態(tài)及其形成機理的研究是分析微刀具磨損原因，改善切削性能，提高微刀具使用壽命進而降低工件加工成本的前提。文中通過一系列微刀具磨損實驗研究超細晶粒硬質(zhì)合金微銑刀的磨損機理，確定了TiAlN涂層及無涂層微銑刀加工鋁合金及恒彈性合金時的四種主要磨損形態(tài)并分析其形成機理，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)銑削加工不同的一個顯著特點是，微細銑削時刀具的磨破損并不像常規(guī)切削中那樣集中在后刀面，而是發(fā)生在刀尖附近的微小區(qū)域內(nèi)，且