超声振动微铣削系统的建立及铣削力和残余应力的研究

【摘要】：微机械系统在高技术领域如航空航天、小卫星以及现代医学中得到广泛应用,其性能和使用寿命受到微机械零件的制造工艺影响较大。在微机械加工领域内,传统的制造方法是采用大型超精密机床铣削微小零件,但是存在成本较高、机械爬行难以控制、资源和能源浪费较大等问题。随着小机床的出现和不断改进,微小零件的加工主要由小机床进行。与传统铣削相比,微铣削工艺也存在工件表面粗糙度较大、工件表面有微小翻边和毛刺、工件表面残余拉应力等,这些因素不利于提高产品的精度和使用寿命,所以改善微铣削加工势在必行。已经有学者提出采用超声振动和微切削结合的方法可以有效提高微切削工件质量,这方面主要有超声振动微钻削、超声振动微刨削及超声振动微车削,而在超声振动微铣削方面的报道还比较少。加入超声振动可以解决在微铣削过程中出现的表面粗糙度值较大、加工表面微小翻边和毛刺等问题,同时改善微铣削工件表面残余应力状态,提高微铣削工件的精度、表面质量、耐腐蚀特性和使用寿命。 本文为解决微铣削加工金属和脆性材料过程中出现的问题和提高加工精度以及提高表面质量而提出了在微铣削的基础上加入超声振动的方法。本文论述主要由以下几方面进行。 首先根据超声换能器及变幅杆理论进行超声振子设计。同时设计了扭转振动工作台。由于本课题的超声振动铣削系统应用于铣削硬质合金,铣削力较大且超声振子的振幅要求较大,反向弹簧确保扭转工作台和超声振子同频率振动,通过理论设计的一级锥形变幅杆不能满足实验需要应进一步放大,因此在一级变幅杆末端加入一个阶梯型变幅杆。通过这种方法设计出的振子理论上可以满足实验需要,但是实际中由于振子的负载在一定范围内变化,负载变化直接导致振子在激励频率不变时固有频率偏移,那么在一些情况下振子难以正常工作。由于振子的工作带宽直接取决于振子的尺寸,为了增加带宽和确保振子正常工作,本文采用有限元软件ANSYS进行了振子尺寸和固有频率的优化,最后设计出适合本课题的超声振子。 对微铣削以及超声振动微铣削加工硬质钢进行了切削力数学理论方面的研究。本文将切削过程适当简化,将铣刀刀尖与工件的接触点复坐标化。以相邻两个周期的切削点的坐标相减得到微铣削过程中切削厚度方程,以切削厚度与实验中测定的切削系数的乘积作为微铣削力。同样方法推导出超声振动微铣削力的方程。应用动态断裂力学理论解释超声振动微铣削工件材料裂纹的扩展对切削力的影响,从裂纹扩展机理方面解释了超声振动微铣削切削力减小的原因。在建立了超声振动微铣削理论模型之后,建立了超声振动微铣削力有限元模型,通过模拟得出加入超声振动后微铣削力降低的结论,表明仿真果与理论分析结果趋势一致。 建立了超声振动微铣削工件表面残余应力的仿真模型,适当简化铣刀和工件。工件材料选择Johnson-Cook本构方程来描述。切屑形成过程采用Johnson-Cook断裂法则描述。经过显式计算得到去除工件约束后表面残余应力分布图。再分别提取同一个参考点在S11方向和S22方向的残余应力。然后通过模拟得到超声振动微铣削工件表面残余应力随着刀具几何参数变化、切削参数变化和振动参数变化的规律。 在五轴小机床上加入超声振子、超声振动扭转工作台、超声波发生器以及测力仪、CCD相机,建立了超声振动微铣削系统。通过该系统进行了4340钢和玻璃的铣槽实验。通过铣槽实验验证了超声振动微铣削力降低的结论。通过激光共聚焦显微镜观察加工后的工件表面形貌得出超声振动微铣削工件表面质量改善,同时得到铣刀变形改善、工件抗腐蚀性能改善的规律。通过X射线法测量工件表面的残余应力得到超声振动微铣削工件表面的残余应力降低的结论。通过对玻璃的铣槽实验验证了加入超声振动后脆性材料的切削力明显降低,脆性材料的工件在加入超声振动后的切削过程中切屑的崩裂减少,玻璃的铣削得到改善的结论。 本文通过加入超声振动来改善微铣削加工工件的质量为今后微机械零件的制造提供了依据。