微細(xì)銑削工藝基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在微小零件日益廣泛應(yīng)用的今天，各領(lǐng)域?qū)ξ⑿⌒土慵男枨笤絹?lái)越多樣化，以微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）為代表的硅基材料微細(xì)加工技術(shù)逐漸因?yàn)榭杉庸げ牧蠁我唬杉庸缀涡螤詈?jiǎn)單而顯示出不足。利用微細(xì)切削特別是微細(xì)銑削技術(shù)加工微小零件是一個(gè)有潛力的發(fā)展方向。在微小型機(jī)床上進(jìn)行微細(xì)銑削加工具有成本低、柔性強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其適合于加工多種工程材料以及帶有復(fù)雜曲面的三維微結(jié)構(gòu)。在微細(xì)銑削中每齒進(jìn)給量與

2、刀具切削刃直徑之比要高于常規(guī)銑削，而背吃刀量與切削刃鈍圓半徑在同一量級(jí)甚至更小，背吃刀量的微小變化都會(huì)帶來(lái)單位切削力的顯著變化，鑒于此類(lèi)微細(xì)銑削中的特性問(wèn)題，本文在系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)微細(xì)切削加工裝備及相關(guān)切削機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)微細(xì)銑削的殘余應(yīng)力檢測(cè)、表面粗糙度預(yù)報(bào)、切削力建模及超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金微刀具的磨損機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。
　　殘余應(yīng)力引起的任何微量變形都會(huì)對(duì)微型零件的工作性能產(chǎn)生重要影響，甚至直接導(dǎo)致其失效。由于受

3、到特征尺寸的限制，目前的測(cè)試手段在對(duì)微型零件加工后的殘余應(yīng)力表征方面還存在一定的困難。本文首先在自主研制的精密微型銑床上制備出了3J21恒彈性合金薄膜微槽結(jié)構(gòu)，此微結(jié)構(gòu)可用于某關(guān)鍵國(guó)防武器的導(dǎo)航部件之中。然后將MEMS技術(shù)中研究硅基薄膜力學(xué)特性的微橋法引入金屬微細(xì)切削領(lǐng)域，基于納米壓痕及彈性力學(xué)薄板理論建立3J21恒彈性合金薄膜微槽結(jié)構(gòu)加載下的力學(xué)模型，得到此微結(jié)構(gòu)底部極薄部分的楊氏模量為56.05±3.96Gpa，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，其

4、值為189.4±3.61MPa。
　　表面粗糙度是衡量已加工表面質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，當(dāng)前研究中對(duì)微細(xì)銑削表面質(zhì)量控制的關(guān)注不足。文中利用響應(yīng)曲面法（RegressSurfaceMethod，RSM）進(jìn)行多元非線性回歸，建立了表面粗糙度的預(yù)報(bào)模型，方差分析顯示此模型可以在97.5％的置信水平上反映表面粗糙度與輸入?yún)⒘恐g的相關(guān)性。以表面粗糙度為目標(biāo)，以各切削參量的輸入水平為約束，利用序列二次規(guī)劃方法得到了微細(xì)銑削的最佳切削參量組合，

5、實(shí)際加工后檢測(cè)結(jié)果與理論最優(yōu)解之間誤差8.1%，證明了優(yōu)化組合的正確性。利用析因設(shè)計(jì)分析切削參量的主效應(yīng)及交互效應(yīng)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：與常規(guī)銑削不同，在微立銑中刀具直徑和懸伸量對(duì)表面粗糙度的影響要遠(yuǎn)大于軸向切深和每齒進(jìn)給量，其主次依次為刀具直徑、刀具懸伸量、軸向切深和每齒進(jìn)給量；另外在尺寸效應(yīng)的作用下，表面粗糙度并不隨著每齒進(jìn)給量的減小而一直減小，而是當(dāng)每齒進(jìn)給量小于其最小切削厚度后，每齒進(jìn)給量的減小反而會(huì)帶來(lái)表面質(zhì)量的變差

6、。
　　切削力對(duì)于研究微細(xì)銑削機(jī)理，制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)以及監(jiān)控切削過(guò)程具有重要意義?；诩羟?滑移線場(chǎng)理論建立微細(xì)銑削三維切削力模型。所建模型考慮了常規(guī)銑削力模型中忽略的切削刃鈍圓半徑、最小切削厚度以及耕犁域彈性恢復(fù)對(duì)微細(xì)切削力的影響；模型中以瞬態(tài)未變形切削厚度算法來(lái)體現(xiàn)微銑刀切削刃的次擺線運(yùn)動(dòng)軌跡。所建模型與傳統(tǒng)銑削模型相比，其仿真結(jié)果可以更好的吻合切削力測(cè)量曲線（最大誤差11%）；另外在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究了了切削

7、參量對(duì)切削力的影響規(guī)律。
　　對(duì)刀具磨損形態(tài)及其形成機(jī)理的研究是分析微刀具磨損原因，改善切削性能，提高微刀具使用壽命進(jìn)而降低工件加工成本的前提。文中通過(guò)一系列微刀具磨損實(shí)驗(yàn)研究超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金微銑刀的磨損機(jī)理，確定了TiAlN涂層及無(wú)涂層微銑刀加工鋁合金及恒彈性合金時(shí)的四種主要磨損形態(tài)并分析其形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)銑削加工不同的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，微細(xì)銑削時(shí)刀具的磨破損并不像常規(guī)切削中那樣集中在后刀面，而是發(fā)生在刀尖附近的微小區(qū)域內(nèi)，且