介觀尺度材料力學性能建模及微銑削工藝優(yōu)化研究.pdf

1、零件尺度在0.1～10mm，幾何特征在0.01mm～1mm的加工被認為是典型的介觀尺度制造范圍，該尺度的零件在生物醫(yī)學、航空航天和電子產(chǎn)品領域具有廣闊的應用前景。但由于被加工零件材料要求、三維復雜形狀和生產(chǎn)成本的限制，傳統(tǒng)的MEMS和超精度加工技術受到限制。而基于微型機床系統(tǒng)的微細制造技術以其相對制造精度和生產(chǎn)成本的綜合優(yōu)勢受到國內(nèi)外學術界和工業(yè)界的廣泛關注。特別是微細銑削工藝具有加工任意材料、三維復雜形狀介觀尺度零件的能力，微銑床系統(tǒng)

2、的開發(fā)和工藝優(yōu)化研究受到格外重視。 微細銑削過程表現(xiàn)出介觀尺度條件下特有的工藝特征，當切削用量減小到微米或亞微米級時，切削過程將出現(xiàn)犁切并伴有最小切削厚度現(xiàn)象發(fā)生，切削力工藝變量與傳統(tǒng)切削過程發(fā)生了顯著變化，從而出現(xiàn)強烈的尺度效應。傳統(tǒng)的切削加工工藝理論難以有效地指導加工工藝規(guī)劃，而微細銑削加工刀具易于磨損、加工效率和加工精度的提高更加依賴于微細銑削的工藝優(yōu)化。 解決上述問題的關鍵是通過對介觀尺度下銑削機理研究，建立新型

3、的適合介觀尺度特點的微細銑削工藝參數(shù)計算模型和工藝規(guī)劃方法。為此，本文以微型銑床系統(tǒng)為實驗平臺，圍繞介觀尺度下切削過程仿真、考慮尺度效應的銑削力預測以及考慮刀具磨損的表面粗糙度模型等開展較為系統(tǒng)的研究，建立了介觀尺度銑削過程仿真模型，為微細銑削工藝優(yōu)化提供基礎。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新工作如下： (1)微型銑床系統(tǒng)開發(fā)及性能實驗 針對微細銑削加工的技術要求，將定位分辨率為50nm的三軸位移平臺和最高轉(zhuǎn)速為120，000轉(zhuǎn)/分的

4、高速氣動主軸進行集成，采用PMAC卡進行運動控制，開發(fā)三軸數(shù)控微型銑床系統(tǒng)；借助于激光干涉儀對銑床工作臺定位精度進行測量，采用誤差補償方法將銑床工作臺的定位精度提高到1.6微米；對微型機床動力性能進行實驗分析，通過調(diào)整機床支撐剛度的方法，改善了機床的動態(tài)性能；采用0.127mm的銑刀開展同心圓形槽以及平面加工的銑削試驗，通過幾何測量和粗糙度測量驗證了該機床系統(tǒng)的可靠性；最后，通過一個工程實例，說明了基于微型機床的微細銑削加工技術的實用性

5、。 (2)介觀尺度下正交切削過程仿真模型 針對傳統(tǒng)仿真分析模型難以體現(xiàn)尺度對材料力學性能影響以及介觀尺度下出現(xiàn)最小切削厚度(犁切)現(xiàn)象的問題，首先，應用細觀力學應變梯度理論，引入尺度變量對描述材料本構關系的Johnson-Cook(JC)模型進行修正，建立考慮介觀尺度力學效應的材料切削本構模型；在此基礎上，綜合考慮微型刀具切削刃半徑、接觸摩擦和材料斷裂失效準則，建立平面應變條件下正交切削過程的有限元仿真模型；最后，應用所

6、建立的仿真模型對介觀尺度下尺度效應產(chǎn)生機理進行了分析，得出結論：(i)介觀尺度下材料力學性能的變化是微細切削尺度效應的主要原因，修正的JC模型為描述這種尺度效應提供了有效手段；(ii)刀具切削刃半徑與切削深度相當是產(chǎn)生犁切現(xiàn)象的原因，從而造成介觀尺度切削時的最小切削厚度現(xiàn)象；(iii)刀具前角對介觀尺度切削最小切削厚度有顯著的影響。 (3)介觀尺度下微細銑削力計算模型 針對傳統(tǒng)的銑削力模型不能適合微細銑削過程的問題，本文

7、在介觀尺度正交切削過程有限元仿真分析的基礎上，應用滑移線場分析方法建立介觀尺度切削力解析模型；并結合考慮最小切削厚度的切削厚度模型，構造出介觀尺度下銑削過程銑削力的解析模型。以所開發(fā)的微型銑床為平臺，采用0.1mm直徑銑刀進行無氧銅(OFHC)銑削實驗，驗證了模型的有效性。采用實驗與仿真結合的方法開展介觀尺度銑削機理研究，得出結論：(i)當單齒進給量(ft)大于最小切削厚度時，產(chǎn)生微銑削尺度效應的主要原因是材料力學性能的尺度效應；(ii

8、)當單齒進給量小于最小切削厚度時，剪切比能會隨丘的減小出現(xiàn)很大的增加現(xiàn)象，主要是由介觀尺度銑削由最小切削厚度現(xiàn)象使得加工過程中實際切削厚度的積累導致的。 (4)考慮刀具磨損的介觀尺度銑削工藝優(yōu)化方法 針對介觀尺度銑削刀具易于磨損以及加工效率難以滿足應用需求的問題，首先，以微型銑床為平臺，采用0.1mm直徑銑刀開展刀具磨損實驗研究；在此基礎上，基于所建立的微細銑削過程模型，建立能夠同時考慮刀具磨損和介觀尺度特征的微細銑削力

9、模型和表面粗糙度模型；最后，以加工效率為目標，以銑削力和表面粗糙度為主要約束，并綜合考慮微型機床系統(tǒng)約束，建立介觀尺度銑削工藝優(yōu)化模型，開展工藝優(yōu)化研究，提高了系統(tǒng)的加工效率，為建立系統(tǒng)的介觀尺度下微細銑削加工工藝理論提供了方法。 本文圍繞介觀尺度銑削加工特點，在微細銑削加工機理和工藝優(yōu)化方面開展了探索性的研究，從材料力學性能和切屑形成過程方面解釋了尺度效應和最小切削厚度現(xiàn)象，為微小零件的加工工藝、質(zhì)量控制以及面向微細制造的機床