薄壁微构件微铣削机理及对其力学性能影响的研究

发布时间：2020-05-26 09:05

【摘要】：航空航天领域的快速发展使其仪器仪表设备微型化、高精度化和服役持久化。本文的研究对象为一种具有薄壁结构的微尺度零件,即薄壁微构件。此薄壁微构件为航空新型加速度计的核心零件,其特殊之处主要在于:(1)它的材料为进口Elgiloy合金,属于具有高抗拉强度的难加工材料。(2)它的特征结构尺寸较小,微槽结构厚度极薄,加工所用的微铣刀直径相对较小。这使得在微铣削过程中不得不考虑微铣刀和薄壁微构件的弹性变形。(3)其表面质量和力学性能的要求较高。基于此,本文对薄壁微构件的微铣削加工机理及其力学性能进行了研究,研究内容主要包括:微铣削加工机理、切出位置毛刺的生成机理、表面质量的分析与改善,以及力学性能的变化规律。微铣削力是反映微铣削过程的关键物理量,因此本文从研究微铣削力入手,在微铣削力模型中考虑了微铣刀直径引入的影响。考虑到每齿进给量与刀具跳动量处于相同量级,本文在微铣削力模型中加入了刀具跳动引入的影响。基于上述分析,在微铣削力模型中考虑了刀齿历史轨迹的相互作用。随后,在微铣削力模型中加入了尺寸效应对微铣削力的影响。实验证明,所建的微铣削力模型的预测结果与实验结果吻合良好。对微铣削力的研究,为切出位置毛刺特征机理的研究奠定基础。在薄壁微构件的微铣削加工中,切出位置毛刺的特征尺寸与工件微结构的特征尺寸相近,不仅降低了加工精度和表面质量,也影响了薄壁微构件的力学性能。因此,本文首先提出了基于Canny算子变阈值改进算法的毛刺特征提取方法,用于解决切出位置毛刺特征提取不连续的问题,再通过均值分析等方法研究了切削参数及其交互作用对切出位置毛刺特征的影响程度。基于能量守恒原理,并结合刀具跳动对微铣削力影响较大的结论,建立了考虑刀具跳动的切出位置毛刺特征模型,并通过对比实验对切出位置毛刺特征模型进行了评价。实验证明,所建立的切出位置毛刺特征模型的预测结果与实验结果吻合良好,为切出位置毛刺的抑制方法的研究提供重要依据。基于切出位置毛刺的生成机理,首先分析了采用辅助结构条件下的切出侧边毛刺高度的变化规律。针对目前采用的薄壁微构件装夹方式,对其弱刚度结构处在加工过程中可能产生的变形进行了分析。基于上述分析,本文提出了一种改善微铣削加工质量,且对薄壁微构件无污染的辅助方法,用于提高表面质量、尺寸精度和抑制切出位置的毛刺生成。为进一步改善微铣削加工表面质量,本文以最小量冷却润滑(MQCL)为辅助方法展开研究。研究中分别选用了Isopar H、乙醇和蒸馏水作为切削液,并同时选择了干切作为参照。通过对比分析不同切削液条件下的表面质量、面形精度、刀具磨损以及力学性能,研究了切削液的物理属性对上述各指标的影响。该部分研究内容为改善薄壁微构件的表面质量和力学性能提供参考。除了改善薄壁微构件的表面质量与力学性能外,工程应用上对薄壁微构件力学性能指标的获取问题也十分关注。目前,薄壁微构件的力学性能指标是通过破坏性的拉伸实验获取的,但受测的试件不能继续使用。考虑到薄壁微构件的薄壁特征,其表面特征对其力学性能有显著影响,因此本文提出了一种无损的、基于表面特征降维分析的力学性能组合预测方法。为保证表面特征信息尽量完整,本文先对已加工表面的结构特征进行了表征,并通过相关性分析对其有效性进行了验证。然后从已加工表面中提取出表面质量、表面结构和表面各向异性等特征,通过相关性分析研究了加工参数对微铣削表面特征的影响。由提取的已加工表面信息构成的解释变量空间维度较高,因此本文采用主成分分析(PCA)降维分析将解释变量空间降至二维,并对比分析了多项式回归和支持向量机回归(SVR)方法在预测薄壁微构件力学性能上的有效性。通过残差分析可知,该方法能够很好地预测薄壁微构件的力学性能,实现了无损获取薄壁微构件力学性能。
【图文】：

微构件,关键结构,薄壁,尺寸

图 1-1 薄壁微构件关键结构与尺寸特征 Key structure and size traits of thin-walled com模的研究现状，刀具与工件的作用力能够很好地反映们一直重点关注的研究内容。为探究微铣学者们对微铣削力进行了建模研究。目前法、仿真法和机械建模法[7,8]。模的经验方法建立切削力与主要影响因素之间的关系量的实验进行回归分析，采用插值方法变化规律，如：基于正交切削实验，通过铣削力单峰值[9]；采用遗传算法并通过刀方法的实验成本较高，许多学者采用切M 仿真切削 AISI-4340，建立了基于瞬时

毛刺,形成机制,类别,底边

a) 泊松毛刺 b) 撕裂毛刺 c) 翻转毛刺图 1-2 基于形成机制划分的毛刺类别[45]Fig.1-2 Burr classification based on formation mechanism.3.1.2 基于生成位置划分的毛刺种类如图 1-3 所示，在铣削微槽过程中生成的毛刺，依据其生成位置可被划分[46]：切入侧边毛刺、切入底边毛刺、槽顶毛刺、切出侧边毛刺以及切出底边刺。依据铣刀的转动方向与铣刀和工件的相对运动的关系，铣削加工的微槽表被分为逆铣侧和顺铣侧。以图 1-3 a)中的刀具进给方向为参考，结合毛刺的成机理可知：在逆铣侧，切入侧毛刺和切入底边毛刺属于泊松毛刺，而槽顶刺、切出底边毛刺和切出侧边毛刺属于翻转毛刺；在顺铣侧，切出底边毛刺切出侧边毛刺属于泊松毛刺，而槽顶毛刺、切入侧毛刺以及切入底边毛刺属翻转毛刺。当铣削可近似为正交切削且刀刃特征尺寸大于与工件接触的表面，工件材料会向切削方向两侧流动从而形成侧向毛刺[47]，，如图 1-3 b)所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG54

【参考文献】