超声振动辅助铣削鱼鳞状表面成形机理及表面性能研究

发布时间：2018-07-07 21:16

  本文选题：超声振动 + 振动切削　； 参考：《山东大学》2016年博士论文

【摘要】：降低摩擦损失的表面织构化技术是公认的极具价值的节能新技术。基于生物表面结构形态或性能机理,机械学科与生物学科相互交叉,模拟生物表面形态与功能结构是当前表面结构加工的一个重要的研究领域。近年来,随着航空航天、国防军工等领域的飞速发展,对机械零部件表面性能的要求越来越高,传统加工方式逐渐无法满足产品对表面质量和表面性能的要求。基于特定的加工方式,在物体表面加工出具有不同功能、不同维数和不同尺度且规则排列的具有一定功能的表面形貌,是解决日益提高的表面性能要求的有效途径。基于生物表面形貌和表面功能的耦合性和交叉性,选定一种非光滑表面形貌并通过有效的加工方式进行加工,得到不同尺度、不同形状、不同高度的非光滑表面形貌,理论上可以得到具有一定减阻、减粘、脱附、耐磨、降噪等性能的表面。选取鲤鱼鳞状表面形貌为研究对象,基于MATLAB计算机图像处理技术,经过“图像增强-图像分割-边缘检测”等步骤,对获得的鲤鱼表面图像进行图像处理。优选合适的算子和算法处理图像,在保留图像原始特征的基础上降低图像噪声,采用“最大类间方差法”提取图像特征,继而通过边缘检测细化特征边缘并定位边缘像素,提取边缘像素位置,通过正弦函数对获得的特征参数进行曲线拟合,拟合效果良好。建立进给方向超声振动辅助铣削表面加工模型,通过分析同一切削刃在同一旋转象限、同一切削刃在不同旋转象限、不同切削刃在同一旋转象限和不同切削刃在不同旋转象限四种状况下的刀尖轨迹形成的闭合区域特征,建立具有普遍适用性的刀尖轨迹闭合区域函数。研究表明：该适用性函数符合正弦函数特征,即进给方向超声振动辅助铣削加工出的织构表面为相互堆叠的鱼鳞状纹理表面。假设切削刃完全锋利,基于实际加工条件简化切削刃模型,简化铣削表面成形过程为副切削刃刃形在工件切削平面的复映,基于刀具切削刃刃形复映原理和切削干涉效应,将刀具切削刃刃形复映到加工工件切削表面,进行空间坐标转换和布尔运算,建立进给方向超声振动辅助铣削加工三维表面仿真模型,仿真分析加工表面三维形貌。通过进给方向超声振动辅助铣削刀尖轨迹模型,以紧邻的两切削刃刀尖轨迹判断加工底面三维形貌尺寸,判定加工出鱼鳞状表面的最佳参数组合。结果表明：在使用3mm双刃立铣刀,振动频率20KHz,最大振幅约12μm的条件下,主轴转速5000r/min-7000r/min时可形成较好的鱼鳞状表面形貌。基于Tlusty和MacNeil基础铣削力学模型,综合考虑实际加工条件,建立进给方向超声振动辅助铣削加工力学模型,判定“空切”现象发生条件并分析X/Y/Z方向切削力。通过不同主轴转速、进给速度和超声振幅等的进给方向超声振动辅助铣削加工实验,验证所建立的超声振动辅助铣削加工力学模型准确性和规律性。简化铣削系统受力为轴的受力,在极小时间区间内,进给方向超声振动辅助铣削满足转动方向和轴向的单自由度强迫振动,建立振动模型分析施加进给方向超声振动后对加工表面的影响。结果表明：施加进给方向超声振动后,尤其是当进给速度为12μm/tooth且超声振幅为12μm时,切削力性能明显改善,表明进给方向超声振动在加工鱼鳞状仿生表面过程中力学性能表现良好,但是会引起主轴转动的周期性滞后以及接触位置的轴向振动位移,对工件侧面和底面形貌造成影响。针对鱼鳞状仿生表面可能应用的领域以及在应用过程中可能发生的状况进行性能研究,探究在应用中需要注意的问题。通过接触角实验研究进给方向超声振动辅助铣削加工的鱼鳞状表面暴露在空气中的抗氧化性和疏水性强弱。对加工试样表面进行干摩擦和贫油摩擦性能实验,验证加工的鱼鳞状表面对干摩擦和贫油摩擦的优良抗性。结果表明：超声振动辅助铣削加工的鱼鳞状织构表面疏水性优于传统加工表面。大振幅(12μm)超声振动辅助铣削加工的鱼鳞状表面具有较大摩擦系数波动且周期“回零”,小振幅(6[μm)时表面织构致密的鱼鳞状表面干摩擦系数波动远小于普通加工表面,具有更强的干摩擦性能。在脂润滑条件下,加工的鱼鳞状织构表面较普通铣削加工表面具有更好的摩擦性能,但随着摩擦的进行,摩擦状态会逐渐向干摩擦转变,开始具备较大摩擦系数起伏,故仍应注意及时补充润滑脂。
[Abstract]:In recent years , with the rapid development in the fields of aerospace and national defense , it is an important research field for the surface quality and surface performance of the carpio . On the basis of Tlusty and MacNeil basic milling mechanics models , the effect of ultrasonic vibration assisted milling on the surface and surface topography of the processed fish scales was investigated .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG65;TB306

【参考文献】

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本文编号：2106300