介觀尺度銑削力與表面形貌建模及工藝優(yōu)化研究.pdf

1、近年來(lái)，小型化已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的趨勢(shì)。小型化產(chǎn)品零件的尺寸范圍為0.1～10mm，幾何特征尺寸在0.01～1mm之間，即屬于介觀尺度的范疇。目前應(yīng)用于介觀尺度零件制造的主要技術(shù)是衍生于微電子技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和超精密加工技術(shù)。由于MEMS技術(shù)存在著難以加工復(fù)雜3D形狀產(chǎn)品、加工材料有限、相對(duì)精度低等種種限制，超精密加工設(shè)備體積龐大、價(jià)格昂貴、加工成本高、空間及能源消耗大、生產(chǎn)效率低下，因此都不適合現(xiàn)代快速響應(yīng)制造的要

2、求。將傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)與小型化技術(shù)相結(jié)合而誕生的微細(xì)制造技術(shù)，采用小型化的機(jī)床系統(tǒng)，可以減少熱變形誤差，提高響應(yīng)速度，進(jìn)而達(dá)到較高的相對(duì)精度，可加工具有復(fù)雜3D形狀、任意材料的零件，且設(shè)備價(jià)格便宜、空間利用率高、能源消耗小，從而大大降低生產(chǎn)成本，是實(shí)現(xiàn)介觀尺度零件制造的必然選擇。本文以介觀尺度銑削工藝為研究對(duì)象，開展銑削工藝機(jī)理及優(yōu)化研究，旨在為微細(xì)制造技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)介觀尺度銑削加工過(guò)程。主要研究工作如下：

3、 (1)微型三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)開發(fā)重點(diǎn)研究微型三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)開發(fā)，闡述微型銑床工作臺(tái)子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、主軸子系統(tǒng)、刀具子系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)切削力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的構(gòu)成及相互關(guān)系，結(jié)合加工實(shí)例介紹微型銑床切削加工過(guò)程，并對(duì)機(jī)床整體性能、精度控制等方面加以分析及評(píng)價(jià)。微型三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)開發(fā)為后續(xù)章節(jié)的研究打下基礎(chǔ)。 (2)介觀尺度銑削力建模與仿真介觀尺度銑削工藝受到尺度效應(yīng)的劇烈影響，表現(xiàn)出特殊的工藝現(xiàn)象和力學(xué)特征?？紤]到切削刃擺線軌跡和

4、刀具跳動(dòng)度的影響，指出介觀尺度銑削普遍存在的單齒切削現(xiàn)象，并提出相應(yīng)的判據(jù)和計(jì)算名義瞬時(shí)切削厚度的模型和算法；結(jié)合介觀尺度銑削過(guò)程特有的、由最小切削厚度引起的切屑不連續(xù)現(xiàn)象，建立實(shí)際銑削過(guò)程中切削厚度累積模型；將銑削過(guò)程劃分為犁切力主導(dǎo)的工件彈塑性變形階段和剪切力主導(dǎo)的切屑成形階段，針對(duì)不同階段建立銑削力模型；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)介觀尺度三維銑削力仿真系統(tǒng)，在自行開發(fā)的微型三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型和算法的正確性。該模型克服了直接

5、將傳統(tǒng)銑削力模型應(yīng)用于介觀尺度銑削而引起的仿真精度低的缺點(diǎn)，可用于指導(dǎo)銑削加工工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。 (3)介觀尺度銑削表面形貌建模與仿真為預(yù)測(cè)給定工藝條件下的銑削表面形貌及加工精度，將微型銑刀簡(jiǎn)化為階梯狀懸臂梁結(jié)構(gòu)，運(yùn)用虛位移原理建立柔性銑刀彈性變形模型；將銑刀柔性變形量耦合到切削刃銑削軌跡方程中，建立面向介觀尺度銑削的螺旋棒銑刀周銑表面創(chuàng)成模型，并提出介觀尺度銑削表面形貌三維仿真算法；考慮銑削方式、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、徑向切深

6、等四因素，設(shè)計(jì)介觀尺度銑削正交試驗(yàn)，分析各因素對(duì)銑削表面精度的影響，并驗(yàn)證模型的有效性。介觀尺度銑削表面形貌建模為銑削工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。 (4)面向介觀尺度銑削表面精度與加工效率的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)介觀尺度銑削一方面需要確保較高的加工表面精度，另一方面在實(shí)際切削過(guò)程中還應(yīng)盡量提高加工效率。在上述研究的基礎(chǔ)上，以銑削表面精度和材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，以銑削方式、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、徑向切深為優(yōu)化變量，建立面向介觀尺度銑削表面質(zhì)量和加工效