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，小型化已經成為產品設計與開發(fā)的趨勢。小型化產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。目前應用于介觀尺度零件制造的主要技術是衍生于微電子技術的微機電系統(tǒng)(MEMS)技術和超精密加工技術。由于MEMS技術存在著難以加工復雜3D形狀產品、加工材料有限、相對精度低等種種限制，超精密加工設備體積龐大、價格昂貴、加工成本高、空間及能源消耗大、生產效率低下，因此都不適合現代快速響應制造的要

2、求。將傳統(tǒng)的機械加工技術與小型化技術相結合而誕生的微細制造技術，采用小型化的機床系統(tǒng)，可以減少熱變形誤差，提高響應速度，進而達到較高的相對精度，可加工具有復雜3D形狀、任意材料的零件，且設備價格便宜、空間利用率高、能源消耗小，從而大大降低生產成本，是實現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象，開展銑削工藝機理及優(yōu)化研究，旨在為微細制造技術的商業(yè)化應用奠定理論基礎，指導介觀尺度銑削加工過程。主要研究工作如下：

3、 (1)微型三軸數控銑床系統(tǒng)開發(fā)重點研究微型三軸數控銑床系統(tǒng)開發(fā)，闡述微型銑床工作臺子系統(tǒng)、運動控制子系統(tǒng)、主軸子系統(tǒng)、刀具子系統(tǒng)、動態(tài)切削力監(jiān)測子系統(tǒng)的構成及相互關系，結合加工實例介紹微型銑床切削加工過程，并對機床整體性能、精度控制等方面加以分析及評價。微型三軸數控銑床系統(tǒng)開發(fā)為后續(xù)章節(jié)的研究打下基礎。 (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的劇烈影響，表現出特殊的工藝現象和力學特征?？紤]到切削刃擺線軌跡和

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

5、將傳統(tǒng)銑削力模型應用于介觀尺度銑削而引起的仿真精度低的缺點，可用于指導銑削加工工藝參數的設計與優(yōu)化。 (3)介觀尺度銑削表面形貌建模與仿真為預測給定工藝條件下的銑削表面形貌及加工精度，將微型銑刀簡化為階梯狀懸臂梁結構，運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、進給率、主軸轉速、徑向切深

6、等四因素，設計介觀尺度銑削正交試驗，分析各因素對銑削表面精度的影響，并驗證模型的有效性。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。 (4)面向介觀尺度銑削表面精度與加工效率的工藝優(yōu)化設計介觀尺度銑削一方面需要確保較高的加工表面精度，另一方面在實際切削過程中還應盡量提高加工效率。在上述研究的基礎上，以銑削表面精度和材料去除率為優(yōu)化目標，以銑削方式、進給率、主軸轉速、徑向切深為優(yōu)化變量，建立面向介觀尺度銑削表面質量和加工效