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微细铣削工艺基础与实验研究

赵岩  
【摘要】: 在微小零件日益广泛应用的今天,各领域对微小型零件的需求越来越多样化,以微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)为代表的硅基材料微细加工技术逐渐因为可加工材料单一,可加工几何形状简单而显示出不足。利用微细切削特别是微细铣削技术加工微小零件是一个有潜力的发展方向。在微小型机床上进行微细铣削加工具有成本低、柔性强的特点,尤其适合于加工多种工程材料以及带有复杂曲面的三维微结构。在微细铣削中每齿进给量与刀具切削刃直径之比要高于常规铣削,而背吃刀量与切削刃钝圆半径在同一量级甚至更小,背吃刀量的微小变化都会带来单位切削力的显著变化,鉴于此类微细铣削中的特性问题,本文在系统分析国内外有关微细切削加工装备及相关切削机理研究的基础上,对微细铣削的残余应力检测、表面粗糙度预报、切削力建模及超细晶粒硬质合金微刀具的磨损机理等关键技术进行了深入研究。 残余应力引起的任何微量变形都会对微型零件的工作性能产生重要影响,甚至直接导致其失效。由于受到特征尺寸的限制,目前的测试手段在对微型零件加工后的残余应力表征方面还存在一定的困难。本文首先在自主研制的精密微型铣床上制备出了3J21恒弹性合金薄膜微槽结构,此微结构可用于某关键国防武器的导航部件之中。然后将MEMS技术中研究硅基薄膜力学特性的微桥法引入金属微细切削领域,基于纳米压痕及弹性力学薄板理论建立3J21恒弹性合金薄膜微槽结构加载下的力学模型,得到此微结构底部极薄部分的杨氏模量为56.05±3.96Gpa,残余应力为拉应力,其值为189.4±3.61MPa。 表面粗糙度是衡量已加工表面质量的主要指标之一,当前研究中对微细铣削表面质量控制的关注不足。文中利用响应曲面法(Regress Surface Method,RSM)进行多元非线性回归,建立了表面粗糙度的预报模型,方差分析显示此模型可以在97.5%的置信水平上反映表面粗糙度与输入参量之间的相关性。以表面粗糙度为目标,以各切削参量的输入水平为约束,利用序列二次规划方法得到了微细铣削的最佳切削参量组合,实际加工后检测结果与理论最优解之间误差8.1%,证明了优化组合的正确性。利用析因设计分析切削参量的主效应及交互效应对加工表面质量的影响,结果表明:与常规铣削不同,在微立铣中刀具直径和悬伸量对表面粗糙度的影响要远大于轴向切深和每齿进给量,其主次依次为刀具直径、刀具悬伸量、轴向切深和每齿进给量;另外在尺寸效应的作用下,表面粗糙度并不随着每齿进给量的减小而一直减小,而是当每齿进给量小于其最小切削厚度后,每齿进给量的减小反而会带来表面质量的变差。 切削力对于研究微细铣削机理,制定合理的切削用量,优化刀具几何参数以及监控切削过程具有重要意义。基于剪切-滑移线场理论建立微细铣削三维切削力模型。所建模型考虑了常规铣削力模型中忽略的切削刃钝圆半径、最小切削厚度以及耕犁域弹性恢复对微细切削力的影响;模型中以瞬态未变形切削厚度算法来体现微铣刀切削刃的次摆线运动轨迹。所建模型与传统铣削模型相比,其仿真结果可以更好的吻合切削力测量曲线(最大误差11%);另外在实验基础上研究了了切削参量对切削力的影响规律。 对刀具磨损形态及其形成机理的研究是分析微刀具磨损原因,改善切削性能,提高微刀具使用寿命进而降低工件加工成本的前提。文中通过一系列微刀具磨损实验研究超细晶粒硬质合金微铣刀的磨损机理,确定了TiAlN涂层及无涂层微铣刀加工铝合金及恒弹性合金时的四种主要磨损形态并分析其形成机理,发现与常规铣削加工不同的一个显著特点是,微细铣削时刀具的磨破损并不像常规切削中那样集中在后刀面,而是发生在刀尖附近的微小区域内,且刀尖破损严重。


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