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小型五轴联动机床介观尺寸铣削加工及其相关模型的研究

张翔  
【摘要】:随着现代化技术的发展,特别是小型化产品在航空航天、生物医学、国防军事、电子通讯等领域愈加广泛的应用,小型化技术已成为现代科技研究的前沿。构成小型化产品的零件尺寸一般为几个毫米,几何特征尺寸在0.01 mm ~ 1 mm之间,属于介观尺寸范围。目前用于介观尺寸制造的主要技术是MEMS和超精密加工技术。介观尺寸铣削加工作为一种日渐成熟的加工方式,克服了MEMS技术难以加工复杂三维形状、相对精度较低及加工材料局限等不足之处,能够高效地实现多种材料及复杂形状的柔性加工,现已成为一个前沿的研究领域。为实现复杂三维小型零件的加工,需要开发与之相适应的小型五轴联动机床。在此基础上开展介观尺寸铣削加工相关模型的研究,旨在为优化小型零件加工工艺,提高零件质量奠定理论基础。 本文首先介绍了介观尺寸铣削加工国内外相关研究现状。列举了国内外在小型机床领域的研究成果,重点阐述了间断性切屑形成和最小切削厚度,并深入介绍了国内外相关研究机构在铣削力预测、铣削表面形貌、刀具磨损监测等方面的研究情况。 针对于复杂三维小型零件的加工,研制了一台小型五轴联动机床。搭建了机床的软硬件结构。基于C++语言开发了具有友好人机界面并可执行大容量数控代码的开放式数控系统,简单分析了数控系统的插补精度。采用适用于介观尺寸铣削的加工策略,对直薄壁结构、曲面微结构和小叶轮进行了加工试验。试验结果验证了小型五轴联动机床的加工能力及其应用于介观尺寸铣削加工的可行性。 介观尺寸铣削加工所用微径铣刀直径在0.1 mm ~ 1 mm之间,如果切削参数选择得不合理,使得切削力超过一定数值时,将会导致刀具瞬间折断,有必要对其切削力进行先期预测。本文以微径球头铣刀为例,建立了介观尺寸铣削力模型。在解析微径球头铣刀切削刃几何特征的基础上,建立了切削刃运动轨迹模型,并据此推断出介观尺寸铣削加工中可能出现单齿切削现象的结论,同时给出了单齿切削现象的判据,分析了各因素对单齿切削现象的影响。在此基础上,结合国内外对于间断性切屑形成及最小切削厚度的研究,建立了实际瞬时切削厚度模型。基于实体造型的方法提取了参与切削的切削刃微元,采用迭代算法识别了模型中各参数。最终通过实际切削力的测量,验证了模型的准确性。 零件的表面形貌会影响到机器或仪器的可靠性和使用寿命。为了研究各因素对介观尺寸铣削表面形貌的影响,本文在考虑到机床-刀具系统动力学特性的基础上,建立了介观尺寸周铣表面形貌模型。引入源自工程结构学的位移频响耦合方法,获得了机床-刀具系统的位移频率响应。结合介观尺寸切削力模型,计算出铣削过程中的刀具在切削力作用下的变形,并将其引入刀具切削刃轨迹方程中,最终建立了介观尺寸周铣表面形貌模型。结合实测的表面粗糙度,对介观尺寸周铣表面形貌的各影响因素予以分析,同时据此验证了模型算法的可行性。 介观尺寸铣削加工所应用的微径铣刀直径小、转速高,刀具的磨损已成为制约介观尺寸铣削技术发展的一个重要因素。为实现刀具磨损状态的监测,建立了微径铣刀磨损状态监测的隐马尔科夫模型。建立监测模型前首先判断刀具是否出现单齿切削,分别对单齿切削和两齿交替切削两种状况测量切削力,提取切削力特征值以训练这两种切削状况下的监测模型。然后对多组切削参数实测切削力重复上述过程,分别建立三个不同磨损阶段的刀具磨损监测隐马尔科夫模型。通过刀具磨损监测的实际结果,验证了该模型的可行性,为介观尺寸铣削加工的深入研究提供了保障。


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