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《南京航空航天大学》 2009年
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微细铣削机床、刀具与加工机理的基础研究

曹自洋  
【摘要】: 微细铣削加工技术,以其相对较佳的经济性、能够加工多种材料及其三维复杂形状等综合优势而受到国内外学术界和工业界的格外重视。然而微细铣削加工是一项新的工艺技术,目前学术界对微细铣削机床的研究还很不充分,对于微细铣削刀具、微细铣削机理和微细铣削工艺等的研究也都处于探索阶段。为此,本文在国家十一五航空支撑预研基金(61901090302)和国家自然科学基金(50775114)的资助下,以微小型零件铣削加工为研究对象,对微细铣削机床设计及构建、微铣削刀具结构设计与制造、微铣削加工过程尺寸效应以及微铣削工艺优化等进行了重点研究,以指导微米和中间尺度铣削加工过程,并为微细制造技术的商业化应用奠定理论基础。主要研究工作包括: (1)研制了一台三轴联动微细铣削机床,构建了基于IPC机和Windows操作系统的并行双CPU数控系统,为机床微小型化和微铣削理论的进一步研究提供应用平台和研究对象。其中,针对该机床直线电机驱动平台在位置、速度及转矩控制模式下的不同特征,建立伺服参数调整数学模型,重点研究了其在高进给加减速度下的运动精度控制技术;而在该铣床上进行的直槽、薄壁、阿基米德螺线等微结构的数控加工测试结果,进一步验证了该微细铣床的良好加工性能。 (2)针对微铣削加工过程的特点,建立了微铣刀有限元模型,采用在面上施加载荷的方式,对微铣刀进行了结构力学分析,系统研究了微铣刀模态、载荷分布、应力和变形特点。在此基础上,深入研究了直径在0.5mm以下的微铣刀结构特征,研究表明传统螺旋结构微铣刀的刚度、强度非常低,在加工中容易弯曲和断裂;而采用锥体三角形等简化几何结构的微铣刀,可获得更高的刚度和强度,更有利于微铣刀制作及刀具寿命的提高。 (3)基于微细电火花加工关键技术及理论,分析了微能脉冲电源的实现途径,开发了最小脉宽为125ns的微铣刀加工专用微能脉冲电源;通过选择适当的伺服控制策略,解决了伺服机构在小位移进给时所存在的爬行问题。同时结合微细电火花加工技术的特点,设计了电火花加工专用电极和专用装置,在微铣床上在线成形微铣刀切削刃,提高微铣刀的制造精度。 (4)针对微铣削过程存在的尺寸效应,对考虑切削刃钝圆半径的二维正交切削加工进行了热力耦合有限元仿真分析,采用切削模型来模拟实际的微细切削加工过程。深入研究了尺寸效应中的切削温度因素和刀具切削刃钝圆半径对微细切削过程尺寸效应的影响,揭示了切削刃钝圆半径引起尺寸效应的内在作用机理。 (5)选取典型微三维零件特征进行铣削特性试验,深入研究了主轴转速、轴向切深、每齿进给量和刀具切削刃钝圆半径等因素对切削力、表面粗糙度和微细毛刺的影响规律,以优化加工参数,提高微铣削的加工效率和加工精度。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG54

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