微切削尺寸效应及微细铣削力建模技术研究

发布时间：2018-10-31 21:16

【摘要】：微切削加工技术是基于MEMS微型产品为应用背景而发展起来的一项先进制造技术,随着科学技术的不断深入发展,越来越多的承载各种作用和不同功能的微型产品应用到不同领域,这对微小型零件的结构复杂程度、材料的多样性、形状精度、表面粗糙度等均提出了越来越高的要求。微切削加工技术由于适用于多种材料,三维加工能力强而被广泛的应用在微型零件和微小结构的加工上,相对于其它微细加工方法在加工效率、加工精度和加工成本上有着绝对的优势。在微纳尺度下探索切削加工机理是一个崭新的研究领域,宏观尺度下的一些理论已不能解释微观状态下的切削现象,而材料在微纳尺度下的加工特性也发生了一些改变,如何将宏观尺度下的加工理论延伸到微纳尺度下,寻求微切削加工中特殊规律,探索其背后产生的机制,对完善切削理论体系,发展微切削加工技术,推动微细制造技术迅速应用于工业化生产有着重要意义。本课题针对微切削加工中的尺寸效应现象,从机械、材料、力学的角度上探讨微观尺度下材料去除机理、切屑形成过程及微铣削力影响机制,主要研究内容和结果如下:钝圆刃口是引起微切削尺寸效应的一个重要因素,当极薄的未变形切削厚度与钝圆刃口圆弧半径相当时,刀具参与切削部分的主要集中在刃口区域,刀具的名义前角不再起作用。针对微切削加工中钝圆刃口产生的犁耕效应,建立了基于ALE-FEM法的热力耦合微切削有限元模型,研究分析了纯圆刃口切削加工方式以及停滞点的形成机理及影响因素,获得最小切削厚度值,通过对比了锋利刃口和纯圆刃口的切削过程,发现停滞点是钝圆刃口独有现象,并基于停滞点提出一种新的有效前角模型。仿真结果显示:当刃口圆弧半径越大,停滞点越明显,犁耕效应越显著,但未变形切削厚度的改变并不影响停滞点的高度位置,当切削速度越低,越容易产生停滞点,犁耕效应越显著。随着加工尺寸的减少,材料的微观组织结构效应不能忽略。针对AISI1045钢在电子显微镜下的微观组织结构及金相颗粒尺寸,根据未变形切削厚度与金相颗粒尺寸之间的关系,建立不同加工尺度下的二维热力耦合正交切削有限元模型,研究了材料中微观组织对切屑形态、加工表面质量及切削力的影响。仿真结果中的切屑形态与实验中的一致说明了模型的准确性和可靠性。相比于以往模型,这种基于材料微观组织结构的有限元模型能更好的捕捉材料局部加工特性,反映出非均质材料内部金相组织的加工状态。研究结果显示:当加工尺度从宏观降到微观尺度,AISI1045钢的切屑形态发生了很大改变,尤其是当未变形切削厚度小于最小金相颗粒尺寸时,切屑呈现出类似羽毛状的"准静态挤压"状;在钝圆刃口切削加工下,已加工表面粗糙度明显增加,毛刺增大,材料的微观组织结构效应显著,尤其是在不同金相边界处,残余应力,等效塑性应变出现了"断层"现象。研究了微铣削中加工特点及微细铣削力的建模技术,针对微铣削中的尺寸效应现象及微细铣刀的几何结构特点,建立一种新的三维瞬态铣削力学模型,以二刃螺旋刃微细铣刀为例,基于整体刀具求得切削层面积,继而获得铣削力,在保证模型的预测能力下,避免了离散积分的数学处理过程,减少了中间建模的误差项。根据微铣削加工钝圆刃口引起的犁耕效应,考虑到切削刃圆弧半径和材料的弹性恢复量,将铣削力模型分别建为剪切去除方式的切削力和挤压去除方式的犁耕力,采用真实刀尖轨迹来建立瞬时切削厚度模型。为了验证所建立微铣削力学模型的准确性和研究加工参数对微铣削力的影响,在微型铣床上进行了一系列A16061铝合金微铣削试验。试验结果显示:主轴转速对铣削力的影响力最小;轴向切深对侧铣的径向力影响最大;当每齿进给量小于1μm时会增大铣削力,出现尺寸效应现象。根据分析可知:在保证加工质量前提下,微铣削应选择较大的主轴转速和较小的轴向切深,避免每齿进给量小于最小切削厚度,在选择侧铣加工深腔型零件时,应选择较小的轴向切深,多次走刀的加工工艺。
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【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG54

【参考文献】