介觀尺度材料力學(xué)性能建模及微銑削工藝優(yōu)化研究.pdf

1、零件尺度在0.1～10mm，幾何特征在0.01mm～1mm的加工被認(rèn)為是典型的介觀尺度制造范圍，該尺度的零件在生物醫(yī)學(xué)、航空航天和電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于被加工零件材料要求、三維復(fù)雜形狀和生產(chǎn)成本的限制，傳統(tǒng)的MEMS和超精度加工技術(shù)受到限制。而基于微型機(jī)床系統(tǒng)的微細(xì)制造技術(shù)以其相對制造精度和生產(chǎn)成本的綜合優(yōu)勢受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。特別是微細(xì)銑削工藝具有加工任意材料、三維復(fù)雜形狀介觀尺度零件的能力，微銑床系統(tǒng)

2、的開發(fā)和工藝優(yōu)化研究受到格外重視。 微細(xì)銑削過程表現(xiàn)出介觀尺度條件下特有的工藝特征，當(dāng)切削用量減小到微米或亞微米級時，切削過程將出現(xiàn)犁切并伴有最小切削厚度現(xiàn)象發(fā)生，切削力工藝變量與傳統(tǒng)切削過程發(fā)生了顯著變化，從而出現(xiàn)強(qiáng)烈的尺度效應(yīng)。傳統(tǒng)的切削加工工藝?yán)碚撾y以有效地指導(dǎo)加工工藝規(guī)劃，而微細(xì)銑削加工刀具易于磨損、加工效率和加工精度的提高更加依賴于微細(xì)銑削的工藝優(yōu)化。 解決上述問題的關(guān)鍵是通過對介觀尺度下銑削機(jī)理研究，建立新型

3、的適合介觀尺度特點(diǎn)的微細(xì)銑削工藝參數(shù)計(jì)算模型和工藝規(guī)劃方法。為此，本文以微型銑床系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺，圍繞介觀尺度下切削過程仿真、考慮尺度效應(yīng)的銑削力預(yù)測以及考慮刀具磨損的表面粗糙度模型等開展較為系統(tǒng)的研究，建立了介觀尺度銑削過程仿真模型，為微細(xì)銑削工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新工作如下： (1)微型銑床系統(tǒng)開發(fā)及性能實(shí)驗(yàn) 針對微細(xì)銑削加工的技術(shù)要求，將定位分辨率為50nm的三軸位移平臺和最高轉(zhuǎn)速為120，000轉(zhuǎn)/分的

4、高速氣動主軸進(jìn)行集成，采用PMAC卡進(jìn)行運(yùn)動控制，開發(fā)三軸數(shù)控微型銑床系統(tǒng)；借助于激光干涉儀對銑床工作臺定位精度進(jìn)行測量，采用誤差補(bǔ)償方法將銑床工作臺的定位精度提高到1.6微米；對微型機(jī)床動力性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過調(diào)整機(jī)床支撐剛度的方法，改善了機(jī)床的動態(tài)性能；采用0.127mm的銑刀開展同心圓形槽以及平面加工的銑削試驗(yàn)，通過幾何測量和粗糙度測量驗(yàn)證了該機(jī)床系統(tǒng)的可靠性；最后，通過一個工程實(shí)例，說明了基于微型機(jī)床的微細(xì)銑削加工技術(shù)的實(shí)用性

5、。 (2)介觀尺度下正交切削過程仿真模型 針對傳統(tǒng)仿真分析模型難以體現(xiàn)尺度對材料力學(xué)性能影響以及介觀尺度下出現(xiàn)最小切削厚度(犁切)現(xiàn)象的問題，首先，應(yīng)用細(xì)觀力學(xué)應(yīng)變梯度理論，引入尺度變量對描述材料本構(gòu)關(guān)系的Johnson-Cook(JC)模型進(jìn)行修正，建立考慮介觀尺度力學(xué)效應(yīng)的材料切削本構(gòu)模型；在此基礎(chǔ)上，綜合考慮微型刀具切削刃半徑、接觸摩擦和材料斷裂失效準(zhǔn)則，建立平面應(yīng)變條件下正交切削過程的有限元仿真模型；最后，應(yīng)用所

6、建立的仿真模型對介觀尺度下尺度效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：(i)介觀尺度下材料力學(xué)性能的變化是微細(xì)切削尺度效應(yīng)的主要原因，修正的JC模型為描述這種尺度效應(yīng)提供了有效手段；(ii)刀具切削刃半徑與切削深度相當(dāng)是產(chǎn)生犁切現(xiàn)象的原因，從而造成介觀尺度切削時的最小切削厚度現(xiàn)象；(iii)刀具前角對介觀尺度切削最小切削厚度有顯著的影響。 (3)介觀尺度下微細(xì)銑削力計(jì)算模型 針對傳統(tǒng)的銑削力模型不能適合微細(xì)銑削過程的問題，本文

7、在介觀尺度正交切削過程有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用滑移線場分析方法建立介觀尺度切削力解析模型；并結(jié)合考慮最小切削厚度的切削厚度模型，構(gòu)造出介觀尺度下銑削過程銑削力的解析模型。以所開發(fā)的微型銑床為平臺，采用0.1mm直徑銑刀進(jìn)行無氧銅(OFHC)銑削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的有效性。采用實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法開展介觀尺度銑削機(jī)理研究，得出結(jié)論：(i)當(dāng)單齒進(jìn)給量(ft)大于最小切削厚度時，產(chǎn)生微銑削尺度效應(yīng)的主要原因是材料力學(xué)性能的尺度效應(yīng)；(ii

8、)當(dāng)單齒進(jìn)給量小于最小切削厚度時，剪切比能會隨丘的減小出現(xiàn)很大的增加現(xiàn)象，主要是由介觀尺度銑削由最小切削厚度現(xiàn)象使得加工過程中實(shí)際切削厚度的積累導(dǎo)致的。 (4)考慮刀具磨損的介觀尺度銑削工藝優(yōu)化方法 針對介觀尺度銑削刀具易于磨損以及加工效率難以滿足應(yīng)用需求的問題，首先，以微型銑床為平臺，采用0.1mm直徑銑刀開展刀具磨損實(shí)驗(yàn)研究；在此基礎(chǔ)上，基于所建立的微細(xì)銑削過程模型，建立能夠同時考慮刀具磨損和介觀尺度特征的微細(xì)銑削力

9、模型和表面粗糙度模型；最后，以加工效率為目標(biāo)，以銑削力和表面粗糙度為主要約束，并綜合考慮微型機(jī)床系統(tǒng)約束，建立介觀尺度銑削工藝優(yōu)化模型，開展工藝優(yōu)化研究，提高了系統(tǒng)的加工效率，為建立系統(tǒng)的介觀尺度下微細(xì)銑削加工工藝?yán)碚撎峁┝朔椒ā?本文圍繞介觀尺度銑削加工特點(diǎn)，在微細(xì)銑削加工機(jī)理和工藝優(yōu)化方面開展了探索性的研究，從材料力學(xué)性能和切屑形成過程方面解釋了尺度效應(yīng)和最小切削厚度現(xiàn)象，為微小零件的加工工藝、質(zhì)量控制以及面向微細(xì)制造的機(jī)床