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《山东大学》 2011年
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超声振动辅助铣削加工技术及机理研究

沈学会  
【摘要】:振动切削可以改善切削加工效果,振动车削、振动钻削、振动磨削等的研究较为广泛并已实际应用,但振动铣削的研究甚少。本文对单向超声振动辅助铣削加工技术及机理进行了系统的探索性研究。 本文的主要研究内容包括:①单向超声振动辅助铣削运动学分析;②超声振动辅助铣削铣削力的实验研究;③超声振动辅助铣削温度场的有限元仿真分析;④超声振动辅助铣削对工件动态变化和加工尺寸精度的影响;⑤超声振动辅助铣削加工表面粗糙度研究;⑥超声振动辅助铣削加工表面的摩擦学性能研究。 以立铣加工为研究对象,针对垂直于进给方向振动和进给方向振动两种单向振动模式,分别进行了刀尖轨迹的二维计算分析,建立了瞬时切削厚度的计算模型,探讨了不同振动方式下的切削力波形特点,分析得出了最佳的单向振动模式,并对理论分析结果进行了实验验证。研究结果表明:在匹配合理的切削和振动参数条件下,进给方向超声振动辅助铣削(下文简称超声振动辅助铣削)能够体现出超声振动切削的特征,将原来单个铣削周期内的连续铣削转变分离式的微细分割断续铣削,有效地改进传统铣削加工机理。 实验研究分析了进给方向超声振动对铣削过程中各方向铣削分力峰值的影响,应用RSM方法和ANOVA方法对最大铣削力进行了数学统计建模和分析。研究结果表明:超声振动对进给方向铣削分力峰值变化影响显著,选用合理的超声振幅可有效降低进给方向铣削分力峰值;超声振动辅助铣削加工过程中,最大铣削力取决于主轴转速、每齿进给量以及超声振幅等因素的综合作用,合理匹配加工和振动参数可以获得理想的铣削力值。 建立了超声振动辅助铣削二维有限元模型,对超声振动辅助铣削温度场进行了有限元仿真分析,获得了普通铣削和超声振动辅助铣削的变形区动态温度分布,并对仿真分析结果进行了实验验证。研究结果表明:超声振动辅助铣削可以明显改善切削温度场分布,降低刀具温度变化峰值,减小热变形和各种热效应对加工过程的影响。 建立了刀具—工件振动系统模型,计算并分析了普通铣削和超声振动辅助铣削过程中工件在垂直于进给方向上的动态位移。研究结果表明:超声振动辅助铣削加工有助于提高工件在加工过程中的动态稳定性,有利于保证加工尺寸精度。 实验研究分析了施加超声振动前后加工尺寸的变化,以及不同加工参数匹配对加工尺寸精度的影响规律。研究结果表明:在匹配合理的切削参数和振动参数条件下,断续铣削方式有助于减小加工过程中工艺系统的热变形和受力变形,减小加工尺寸偏差。其中,超声振幅对加工尺寸偏差的影响最为显著。 系统研究了超声振动对立铣刀底刃和侧刃加工表面粗糙度的影响机理。研究结果表明:由于刀尖运动轨迹的复杂化,超声振动对底刃加工表面粗糙度产生不同程度的负面影响;由于超声振动辅助铣削的往复“熨压”效应,侧刃加工表面粗糙度明显改善。 综合应用ANOVA方法和RSM方法对侧刃加工表面粗糙度进行了统计分析与建模。研究结果表明:侧刃加工表面粗糙度的大小取决于多个切削参数的综合作用,其中,主轴转速的影响最为显著。超声振动辅助铣削加工过程中,如果超声振幅一定,超声振动频率与主轴回转频率的比值越大越容易获得较好的加工表面质量;选用不同的主轴转速时,只有匹配合理的进给参数才能获得最小的表面粗糙度值。 系统研究了超声振动辅助铣削加工表面的摩擦磨损特性,实验研究了不同加工参数条件下加工表面的摩擦系数、磨损率以及最大承载压力。研究结果表明:超声振动辅助铣削加工表面的摩擦系数变化曲线波动小,磨损率低,并且具有更好的极限承载能力。不同超声振动辅助铣削加工参数条件下获得的加工表面形貌不同,摩擦磨损过程中边界膜的具体形成方式和摩擦磨损机理也不相同。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG663;TG54

【引证文献】
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