超聲振動(dòng)輔助銑削魚鱗狀表面成形機(jī)理及表面性能研究.pdf

1、降低摩擦損失的表面織構(gòu)化技術(shù)是公認(rèn)的極具價(jià)值的節(jié)能新技術(shù)?；谏锉砻娼Y(jié)構(gòu)形態(tài)或性能機(jī)理，機(jī)械學(xué)科與生物學(xué)科相互交叉，模擬生物表面形態(tài)與功能結(jié)構(gòu)是當(dāng)前表面結(jié)構(gòu)加工的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)械零部件表面性能的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)加工方式逐漸無(wú)法滿足產(chǎn)品對(duì)表面質(zhì)量和表面性能的要求。基于特定的加工方式，在物體表面加工出具有不同功能、不同維數(shù)和不同尺度且規(guī)則排列的具有一定功能的表面形貌，是解決日益提

2、高的表面性能要求的有效途徑?；谏锉砻嫘蚊埠捅砻婀δ艿鸟詈闲院徒徊嫘?，選定一種非光滑表面形貌并通過有效的加工方式進(jìn)行加工，得到不同尺度、不同形狀、不同高度的非光滑表面形貌，理論上可以得到具有一定減阻、減粘、脫附、耐磨、降噪等性能的表面。
　　選取鯉魚鱗狀表面形貌為研究對(duì)象，基于MATLAB計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，經(jīng)過“圖像增強(qiáng)-圖像分割-邊緣檢測(cè)”等步驟，對(duì)獲得的鯉魚表面圖像進(jìn)行圖像處理。優(yōu)選合適的算子和算法處理圖像，在保留圖像原始

3、特征的基礎(chǔ)上降低圖像噪聲，采用“最大類間方差法”提取圖像特征，繼而通過邊緣檢測(cè)細(xì)化特征邊緣并定位邊緣像素，提取邊緣像素位置，通過正弦函數(shù)對(duì)獲得的特征參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，擬合效果良好。
　　建立進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削表面加工模型，通過分析同一切削刃在同一旋轉(zhuǎn)象限、同一切削刃在不同旋轉(zhuǎn)象限、不同切削刃在同一旋轉(zhuǎn)象限和不同切削刃在不同旋轉(zhuǎn)象限四種狀況下的刀尖軌跡形成的閉合區(qū)域特征，建立具有普遍適用性的刀尖軌跡閉合區(qū)域函數(shù)。研究表明:該適

4、用性函數(shù)符合正弦函數(shù)特征，即進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削加工出的織構(gòu)表面為相互堆疊的魚鱗狀紋理表面。
　　假設(shè)切削刃完全鋒利，基于實(shí)際加工條件簡(jiǎn)化切削刃模型，簡(jiǎn)化銑削表面成形過程為副切削刃刃形在工件切削平面的復(fù)映，基于刀具切削刃刃形復(fù)映原理和切削干涉效應(yīng)，將刀具切削刃刃形復(fù)映到加工工件切削表面，進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和布爾運(yùn)算，建立進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削加工三維表面仿真模型，仿真分析加工表面三維形貌。通過進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削刀尖軌跡模

5、型，以緊鄰的兩切削刃刀尖軌跡判斷加工底面三維形貌尺寸，判定加工出魚鱗狀表面的最佳參數(shù)組合。結(jié)果表明:在使用3mm雙刃立銑刀，振動(dòng)頻率20KHz，最大振幅約12μm的條件下，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min～7000r/min時(shí)可形成較好的魚鱗狀表面形貌。
　　基于Tlusty和MacNeil基礎(chǔ)銑削力學(xué)模型，綜合考慮實(shí)際加工條件，建立進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削加工力學(xué)模型，判定“空切”現(xiàn)象發(fā)生條件并分析X/Y/Z方向切削力。通過不同主軸轉(zhuǎn)

6、速、進(jìn)給速度和超聲振幅等的進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所建立的超聲振動(dòng)輔助銑削加工力學(xué)模型準(zhǔn)確性和規(guī)律性。簡(jiǎn)化銑削系統(tǒng)受力為軸的受力，在極小時(shí)間區(qū)間內(nèi)，進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削滿足轉(zhuǎn)動(dòng)方向和軸向的單自由度強(qiáng)迫振動(dòng)，建立振動(dòng)模型分析施加進(jìn)給方向超聲振動(dòng)后對(duì)加工表面的影響。結(jié)果表明:施加進(jìn)給方向超聲振動(dòng)后，尤其是當(dāng)進(jìn)給速度為12μm/tooth且超聲振幅為12μm時(shí)，切削力性能明顯改善，表明進(jìn)給方向超聲振動(dòng)在加工魚鱗狀仿生表面過程

7、中力學(xué)性能表現(xiàn)良好，但是會(huì)引起主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的周期性滯后以及接觸位置的軸向振動(dòng)位移，對(duì)工件側(cè)面和底面形貌造成影響。
　　針對(duì)魚鱗狀仿生表面可能應(yīng)用的領(lǐng)域以及在應(yīng)用過程中可能發(fā)生的狀況進(jìn)行性能研究，探究在應(yīng)用中需要注意的問題。通過接觸角實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削加工的魚鱗狀表面暴露在空氣中的抗氧化性和疏水性強(qiáng)弱。對(duì)加工試樣表面進(jìn)行干摩擦和貧油摩擦性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證加工的魚鱗狀表面對(duì)干摩擦和貧油摩擦的優(yōu)良抗性。結(jié)果表明:超聲振動(dòng)輔助銑削加