超聲振動微銑削系統(tǒng)的建立及銑削力和殘余應(yīng)力的研究.pdf

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在必行。已經(jīng)有學(xué)者提出采用超聲振動和微切削結(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微鉆削、超聲振動微刨削及超聲振動微車削,而在超聲振動微銑削方面的報(bào)道還比較少。加入超聲振動可以解決在微銑削過程中出現(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程中出現(xiàn)

3、的問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)振動工作臺。由于本課題的超聲振動銑削系統(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)工作臺和超聲振子同頻率振動,通過理論設(shè)計(jì)的一級錐形變幅桿不能滿足實(shí)驗(yàn)需要應(yīng)進(jìn)一步放大,因此在一級變幅桿末端加入一個(gè)階梯型變幅桿。通過這種方法設(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。
　　對微銑削以及超聲振動微銑削加工硬質(zhì)鋼進(jìn)行了切削力數(shù)學(xué)理論方面的研究。本文將切削過程適當(dāng)簡化,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)相減得到微銑削過程中切削厚度方程,以切削厚度與實(shí)驗(yàn)中測定的切削系數(shù)的乘積作為微銑削力。同樣方法推導(dǎo)出超聲振動微銑削力的方程。應(yīng)用動態(tài)斷裂力學(xué)理論解釋超聲振動微銑削工件材料裂紋的擴(kuò)展對切削力的影響,從裂紋擴(kuò)展機(jī)理方面解釋了超聲振動微銑削切削力減小的原因。在建立了超聲振動微銑削理論模型之后,建立了超聲振動微銑削力有限元模型,通過模擬得出加入超聲振動后微銑削力降低的結(jié)論,表明仿真果與理論分析結(jié)

6、果趨勢一致。
　　建立了超聲振動微銑削工件表面殘余應(yīng)力的仿真模型,適當(dāng)簡化銑刀和工件。工件材料選擇 Johnson-Cook本構(gòu)方程來描述。切屑形成過程采用Johnson-Cook斷裂法則描述。經(jīng)過顯式計(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。然后通過模擬得到超聲振動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、超聲振動扭轉(zhuǎn)工作臺、超聲波發(fā)生器以及測力儀、CCD相機(jī),建立了超聲振動微銑削系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)進(jìn)行了4340鋼和玻璃的銑槽實(shí)驗(yàn)。通過銑槽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲振動微銑削力降低的結(jié)論。通過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 X射線法測量工件表面的殘余應(yīng)力得到超聲振動微銑削工件表面的殘余應(yīng)力降低的結(jié)論。通過對玻璃的銑槽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加入超聲振動后脆