小型五軸聯(lián)動機床介觀尺寸銑削加工及其相關(guān)模型的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，特別是小型化產(chǎn)品在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、國防軍事、電子通訊等領(lǐng)域愈加廣泛的應(yīng)用，小型化技術(shù)已成為現(xiàn)代科技研究的前沿。構(gòu)成小型化產(chǎn)品的零件尺寸一般為幾個毫米，幾何特征尺寸在0.01mm-1mm之間，屬于介觀尺寸范圍。目前用于介觀尺寸制造的主要技術(shù)是MEMS和超精密加工技術(shù)。介觀尺寸銑削加工作為一種日漸成熟的加工方式，克服了MEMS技術(shù)難以加工復(fù)雜三維形狀、相對精度較低及加工材料局限等不足之處，能夠高效地實現(xiàn)多種材料及復(fù)

2、雜形狀的柔性加工，現(xiàn)已成為一個前沿的研究領(lǐng)域。為實現(xiàn)復(fù)雜三維小型零件的加工，需要開發(fā)與之相適應(yīng)的小型五軸聯(lián)動機床。在此基礎(chǔ)上開展介觀尺寸銑削加工相關(guān)模型的研究，旨在為優(yōu)化小型零件加工工藝，提高零件質(zhì)量奠定理論基礎(chǔ)。
　　本文首先介紹了介觀尺寸銑削加工國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀。列舉了國內(nèi)外在小型機床領(lǐng)域的研究成果，重點闡述了間斷性切屑形成和最小切削厚度，并深入介紹了國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)在銑削力預(yù)測、銑削表面形貌、刀具磨損監(jiān)測等方面的研究情況

3、。
　　針對于復(fù)雜三維小型零件的加工，研制了一臺小型五軸聯(lián)動機床。搭建了機床的軟硬件結(jié)構(gòu)?；贑++語言開發(fā)了具有友好人機界面并可執(zhí)行大容量數(shù)控代碼的開放式數(shù)控系統(tǒng)，簡單分析了數(shù)控系統(tǒng)的插補精度。采用適用于介觀尺寸銑削的加工策略，對直薄壁結(jié)構(gòu)、曲面微結(jié)構(gòu)和小葉輪進行了加工試驗。試驗結(jié)果驗證了小型五軸聯(lián)動機床的加工能力及其應(yīng)用于介觀尺寸銑削加工的可行性。
　　介觀尺寸銑削加工所用微徑銑刀直徑在0.1mm-1mm之間，如果切削參

4、數(shù)選擇得不合理，使得切削力超過一定數(shù)值時，將會導(dǎo)致刀具瞬間折斷，有必要對其切削力進行先期預(yù)測。本文以微徑球頭銑刀為例，建立了介觀尺寸銑削力模型。在解析微徑球頭銑刀切削刃幾何特征的基礎(chǔ)上，建立了切削刃運動軌跡模型，并據(jù)此推斷出介觀尺寸銑削加工中可能出現(xiàn)單齒切削現(xiàn)象的結(jié)論，同時給出了單齒切削現(xiàn)象的判據(jù)，分析了各因素對單齒切削現(xiàn)象的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外對于間斷性切屑形成及最小切削厚度的研究，建立了實際瞬時切削厚度模型。基于實體造型的方

5、法提取了參與切削的切削刃微元，采用迭代算法識別了模型中各參數(shù)。最終通過實際切削力的測量，驗證了模型的準確性。
　　零件的表面形貌會影響到機器或儀器的可靠性和使用壽命。為了研究各因素對介觀尺寸銑削表面形貌的影響，本文在考慮到機床-刀具系統(tǒng)動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，建立了介觀尺寸周銑表面形貌模型。引入源自工程結(jié)構(gòu)學(xué)的位移頻響耦合方法，獲得了機床-刀具系統(tǒng)的位移頻率響應(yīng)。結(jié)合介觀尺寸切削力模型，計算出銑削過程中的刀具在切削力作用下的變形，并將

6、其引入刀具切削刃軌跡方程中，最終建立了介觀尺寸周銑表面形貌模型。結(jié)合實測的表面粗糙度，對介觀尺寸周銑表面形貌的各影響因素予以分析，同時據(jù)此驗證了模型算法的可行性。
　　介觀尺寸銑削加工所應(yīng)用的微徑銑刀直徑小、轉(zhuǎn)速高，刀具的磨損已成為制約介觀尺寸銑削技術(shù)發(fā)展的一個重要因素。為實現(xiàn)刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測，建立了微徑銑刀磨損狀態(tài)監(jiān)測的隱馬爾科夫模型。建立監(jiān)測模型前首先判斷刀具是否出現(xiàn)單齒切削，分別對單齒切削和兩齒交替切削兩種狀況測量切削力，