超聲振動輔助銑削魚鱗狀表面成形機理及表面性能研究.pdf

1、降低摩擦損失的表面織構(gòu)化技術(shù)是公認(rèn)的極具價值的節(jié)能新技術(shù)?；谏锉砻娼Y(jié)構(gòu)形態(tài)或性能機理，機械學(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)加工的一個重要的研究領(lǐng)域。近年來，隨著航空航天、國防軍工等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對機械零部件表面性能的要求越來越高，傳統(tǒng)加工方式逐漸無法滿足產(chǎn)品對表面質(zhì)量和表面性能的要求?；谔囟ǖ募庸し绞?，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。基于生物表面形貌和表面功能的耦合性和交叉性，選定一種非光滑表面形貌并通過有效的加工方式進行加工，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象，基于MATLAB計算機圖像處理技術(shù)，經(jīng)過“圖像增強-圖像分割-邊緣檢測”等步驟，對獲得的鯉魚表面圖像進行圖像處理。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)對獲得的特征參數(shù)進行曲線擬合，擬合效果良好。
　　建立進給方向超聲振動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，即進給方向超聲振動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，基于實際加工條件簡化切削刃模型，簡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，進行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和布爾運算，建立進給方向超聲振動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。通過進給方向超聲振動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，振動頻率20KHz，最大振幅約12μm的條件下，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min～7000r/min時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，綜合考慮實際加工條件，建立進給方向超聲振動輔助銑削加工力學(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、進給速度和超聲振幅等的進給方向超聲振動輔助銑削加工實驗，驗證所建立的超聲振動輔助銑削加工力學(xué)模型準(zhǔn)確性和規(guī)律性。簡化銑削系統(tǒng)受力為軸的受力，在極小時間區(qū)間內(nèi)，進給方向超聲振動輔助銑削滿足轉(zhuǎn)動方向和軸向的單自由度強迫振動，建立振動模型分析施加進給方向超聲振動后對加工表面的影響。結(jié)果表明:施加進給方向超聲振動后，尤其是當(dāng)進給速度為12μm/tooth且超聲振幅為12μm時，切削力性能明顯改善，表明進給方向超聲振動在加工魚鱗狀仿生表面過程

7、中力學(xué)性能表現(xiàn)良好，但是會引起主軸轉(zhuǎn)動的周期性滯后以及接觸位置的軸向振動位移，對工件側(cè)面和底面形貌造成影響。
　　針對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。通過接觸角實驗研究進給方向超聲振動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弱。對加工試樣表面進行干摩擦和貧油摩擦性能實驗，驗證加工的魚鱗狀表面對干摩擦和貧油摩擦的優(yōu)良抗性。結(jié)果表明:超聲振動輔助銑削加