超精密加工表面创成机理研究

发布时间：2020-08-18 12:56

【摘要】：超精密加工主要包括超精密车削、超精密铣削和超精密磨削等,已广泛应用于国防军工、航空航天和其它高科技领域,其能加工出纳米级表面粗糙度及亚微米级形状误差的零件,是现代制造业发展的重要支撑和基础。超精密加工表面创成机理直接决定被加工表面质量,但受众多因素影响。其中,机床主轴振动、刀具磨损、加工参数及材料属性是决定超精密加工表面创成质量的关键因素。然而,目前国内外超精密加工表面创成机理的研究尚存在不足之处。为此,本文针对超精密加工表面创成机理展开相应的理论与实验研究,着重探讨上述关键因素对超精密加工表面创成的影响。本文主要的研究工作包括以下三点:(1)以超精密加工主轴振动对表面创成的影响为研究对象,提出和建立了一种广义动力学模型以准确描述不同超精密加工过程中主轴振动对表面形貌的影响。为了检验理论结果的正确性,分别设置和进行了一系列超精密金刚石车削(UPDT)实验、超精密铣削(UPRM)实验和超精密磨削(UPG)实验以对该模型进行验证。通过对实验中超精密加工的表面形貌进行检测,发现在超精密金刚石车削中,由恒定切削力引起的谐波性主轴振动会使被加工表面产生周期性图案。在超精密铣削中,由周期性脉冲切削力引起的脉冲性主轴振动会在被加工表面产生准周期性图案。在超精密磨削中,由随机脉冲切削力引起的部分脉冲主轴振动使被加工表面产生了的部分随机图案。最终得出结论:主轴振动系统具有线性和谐波特性,包括轴向主轴振动,径向主轴振动和耦合倾斜主轴振动。其动态响应由超精密加工中切削力的外部激励决定。所建立的广义动力学模型准确地描述了上述三种不同超精密加工过程中的主轴振动,其对表面形貌影响的理论分析和实验结果具有良好一致性。(2)以超精密加工刀具磨损对表面创成的影响为研究对象,基于超精密金刚石刀具铣削易加工材料Zn-Al-Cu合金,利用BSEM和XRD技术检测相位,结合纳米压痕实验测试纳米硬度,用SEM技术观察DTW特征,通过光学分析测量系统检测加工表面的表面形貌和表面粗糙度。分析试验结果发现,在超精密铣削Zn-Al-Cu合金时,高速切削下淬火和相析出现象同时发生,即加工表面上会发生双相变化;超精密铣削下产生的外部应力引起了相变,进而改变了材料的性能。在高速切削条件下,变形厚度甚至小于100 nm;金刚石刀具后刀面磨损会促进相变,增强表面硬化,增加相变厚度从而降低表面质量,因为后刀面磨损会引起较高的外部应力,而前刀面则情况相反。论文就正交切削进行的有限元模拟对之有着良好验证。(3)以超精密加工参数及材料属性对表面创成的影响为研究对象,基于超精密磨削难加工材料锆基金属玻璃实验,揭示了其表面粗糙度创成规律。首先在Precitech公司的Freeform L型超精密五轴轮廓机床上对锆基金属玻璃进行了一系列超精密磨削实验;通过介入磨削实验,研究了金属玻璃磨削过程的材料去除机理。在此基础上,采用正交法,设置不同切削参数对锆基金属玻璃进行了一系列平面磨削实验,并运用激光干涉形貌仪,X射线衍射仪(XRD),原子力显微镜(AFM)等仪器对表面形貌进行检测和分析。采用边加工边用冷却液冷却的方法对锆基金属玻璃进行超精密磨削加工,然后通过XRD检测,结果发现,加工后的材料均未发生表面晶化现象,这是保证锆基金属玻璃可磨性的重要前提;介入磨削实验清晰揭示了金属玻璃磨削工艺下材料去除过程包括韧性去除机理和脆性去除机理,临界切削深度是以上两种去除机理转变的关键参数;本文中超精密磨削锆基金属玻璃创成的表面粗糙度可达30nm以下,比文献中报道的普通磨削方式优于一个数量级。通过正交实验得出的切削参数对表面粗糙度创成的影响规律,可为进一步提高超精密磨削表面精度提供技术路线参考和工艺借鉴。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH161
【图文】：

超精密加工,机械学科,综合国力,工业发达国家

第一章绪论，产生了巨大的产值。比如，据 Winter Green 研究中心的调查，目前光学产品市场价值就超过万亿美元以上，而且，超精密自由曲面加工提升光学产品的应用价值，并扩展其应用范围，有学者估计，到 201超精密光学器件市场总值就将达到 1230 亿美元[4]。

超精密加工,精度范围,超精密,超精密加工技术

及磨床在这一时期被研发出来了。到上世纪 80 年rmore 国家实验室在政府大量资金与人力支持下，床，此机床后来成为超精密加工机床的典型代表，加工都是借助该设备得以实现。年代后期以来，民用超精密加工技术得到日益广在此阶段，超精密加工设备在工业上已较为常见，拢，而且，可加工的尺寸范围也越来越大。超精密磨具、半导体基片、各类超精密光学镜片等零件的术和设备的成熟（如数控技术、激光检测系统、置等），超精密五轴铣削技术已被研发，可用于。3 个阶段的充分发展，超精密加工技术手段已比支：车、铣等超精密切削加工；超精密磨削加工；离子束等超精密特种加工。现阶段各种手段能够达

超精密机床,家电工业,日本,绪论

第一章绪论望远镜中反光镜的超精密加工，成为第二个大型超精密机床的制造商。日本在中小型超精密机床的研发和生产上后发先至，虽然到 1970 年代才，但现在在此领域基本能与美国旗鼓相当。日本微电子和家电工业的迅猛正是得益于其多功能和高效专用超精密机床方面的良好业态。上述发展过各阶段的几种具有代表性的超精密机床如图 1.3 所示。

【相似文献】