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微细铣削机床研制及硬脆性材料切削实验研究

张升  
【摘要】:微细铣削加工是一种能够实现三维复杂特征超精密加工的技术,而具有良好运动特性的微铣削数控机床则是实现这一先进切削加工技术的必备条件。为此,本课题以微细铣削数控机床的整体设计和搭建展开研究,以微细铣削实验为辅助手段对其进行验证并对硬脆性材料的加工工艺进行实验研究。 针对微细加工特征尺寸较小的特点,本课题将微细铣削机床设计为微小型桌面铣床,桌面铣床不仅节约空间、节约能源,而且对加工精度的提高有很大的优势。此机床采用了开放式的数控系统,运动控制器采用了美国Delta Tau公司系统级UMAC运动控制器,UMAC是拥有内置I/O和电源以及完整外壳的专业控制器。同时,这款控制器拥有高速USB、Ethernet、MACRO标准的通讯系统和上位机进行通讯,最大限度的满足了控制器对于性能扩展的需求。采用高精度直线电机作为驱动方式,有效地避免了传统数控机床中旋转电机加滚珠丝杠带来的死区误差。分辨率达5nm的雷尼绍光栅尺作为位置反馈元件使整个控制系统构成了全闭环控制,大大提高了数控机床的加工精度。机床搭建完毕之后通过PID调试和激光干涉仪对其定位精度补偿,更加完善了机床的性能,其精度达到了亚微米级。 在微细加工中最小切除厚度机理分析基础之上,在延展性材料上进行了微细铣削实验,通过比较进给速度和轴向切深对黄铜表面粗糙度的影响规律,同时验证了本研究所研发的小型桌面微细铣削机床。 分析了单晶硅的物理特性,确定了刀具及切削液,对单晶硅材料进行了微细铣削实验研究。选取进给速度和有无切削液为实验因素,基于以前的研究基础设定了进给速度,进行了二因素全水平实验。借助白光干涉仪对表面粗糙度进行了分析。 利用方差分析方法对各实验因素对表面粗糙度的影响规律及各因素对实验结果影响的主次顺序进行了分析,实验结果显示,进给速度越大,表面粗糙度越差;有切削液对单晶硅铣削加工的表面质量要好于无切削液的干切削;有无切削液对表面质量的影响要大于进给速度对表面质量的影响;脆-塑性转变(延性域切削)在一定的切削条件下可以实现。通过总结实验,为后续的硬脆性材料微细铣削研究打下了一定的基础。


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