单点金刚石超精密车削微结构加工工艺规划研究

发布时间：2017-09-06 01:34

  本文关键词：单点金刚石超精密车削微结构加工工艺规划研究

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【摘要】：随着科学技术的迅猛发展,超精密微结构应用领域变得越来越广泛,因此带有微结构的模具制造成为了现如今的热门话题。辊筒模具由于在工业化大批量生产当中可以连续滚压复制,成为了高效率主流模具。超精密车削由于车削设备比起一般车床更为精密,且车削过程中走刀步距小于金刚石刀具的刀尖圆弧半径,造成了单点金刚石车削效率低下。因此,在保证微结构加工精度与表面粗糙度的前提下,应尽可能的降低时间成本。本文选择了微V结构与四棱锥结构作为研究对象,分析了传统微V结构环形断续式车削的方法,并提出改进微V结构螺旋连续式车削方法。分析刀具路径后得到改进车削效率比传统车削效率高。由于螺旋连续式车削方法在滚压过程中会存在一定的斜度误差,本文引用了螺纹升角α作为斜度误差的表征量。当辊筒直径为500mm时,其滚压过程中的斜度误差为0.000730,即在滚压1OOmm时,结构偏移1μm,控制在滚压复制时误差范围之内。将螺旋连续式的车削方法应用到四棱锥车削当中,提出了斜450四棱锥车削方法与正交四棱锥车削方法,分析了两种车削方法的优劣与所耗费的时间成本。得出正交四棱锥结构车削方法比斜450车削方法的效率更高。在辊筒端面车削中会产生分度误差,引入平均化误差εcq。当四棱锥结构宽度为30μm,端面车削次数为15800次时,平均到每一个四棱锥结构中的误差为60.46nm,几乎可以忽略不计。应用有限元模拟软件ABAQUS模拟了车削过程中刀具所受的切削力。选择了金刚石车削常用的三种材料,得出在车削镍磷合金MP35N时,刀具所受的切削力最大。但由于镍磷合金MP35N材料本身的特性,这种材料更适合作为模具材料来使用。同时进行了工艺参数切削深度αp与切削速度vc的切削模拟,发现了切削力随着切削深度αp与切削速度vc。的增加而增大,并且切削深度ap对切削力的影响更大。为了验证螺旋连续式微V结构车削方法的有效性,进行了铝6061车削试验,并通过3D激光显微镜对结构表面进行检测,获得了车削后微V结构的三组表面粗糙度。通过应用Matlab/Simulink对车削系统进行动态建模仿真,发现经过车削系统后得到的刀架位移会产生一定的振动。通过仿真模型得到模拟表面粗糙度R值,选取试验中所测粗糙度值进行比较,得出了两者误差在10%以内,验证了仿真模型的有效性。
【关键词】：金刚石车削 刀具路径 切削力 表面粗糙度
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG51
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 本课题的来源及背景18
• 1.2 国内外单点金刚石车削现状18-20
• 1.2.1 超精密加工发展历史18-19
• 1.2.2 超精密加工技术应用19-20
• 1.3 金刚石车削刀具路径规划概述20-22
• 1.4 金刚石车削工艺概述22-23
• 1.5 单点金刚石车削刀具23-25
• 1.6 本文主要研究内容25-26
• 第二章 辊筒模具微V结构刀具路径规划研究26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 辊筒模具微V结构成型原理26-27
• 2.3 加工参数选择与加工尺寸确定27-28
• 2.3.1 加工设备的选择27-28
• 2.3.2 加工尺寸确定与加工参数的选择28
• 2.4 传统辊筒模具微V结构车削方法28-33
• 2.4.1 车削刀具运动流程28-29
• 2.4.2 车削刀具运动路径29-33
• 2.4.3 传统车削方法的缺点33
• 2.5 改进辊筒模具微V结构车削方法33-38
• 2.5.1 车削刀具运动流程33-34
• 2.5.2 车削刀具运动路径34-37
• 2.5.3 改进车削方法的优点37-38
• 2.6 改进辊筒模具微V结构滚压误差38-40
• 2.6.1 滚压误差来源38
• 2.6.2 滚压误差表征38-40
• 2.7 辊筒模具微V结构传统车削与改进车削方法效率比较40
• 2.8 仿形法加工与轨迹法加工方法比较40-45
• 2.8.1 两种方法车削原理40-41
• 2.8.2 两种方法车削刀具路径41-44
• 2.8.3 两种方法车削效率44-45
• 2.9 本章小结45-48
• 第三章 辊筒模具四棱锥结构刀具路径规划研究48-66
• 3.1 引言48
• 3.2 辊筒模具四棱锥结构成型原理48-49
• 3.3 加工参数选择与加工尺寸确定49
• 3.3.1 加工设备的选择49
• 3.3.2 加工尺寸确定与加工参数选择49
• 3.4 辊筒模具斜45°四棱锥结构加工方法49-55
• 3.4.1 车削刀具运动流程49-51
• 3.4.2 车削刀具运动路径51-54
• 3.4.3 斜45°四棱锥结构车削方法评价54-55
• 3.5 辊筒模具正交四棱锥结构加工方法55-59
• 3.5.1 车削刀具运动流程55-56
• 3.5.2 车削刀具运动路径56-59
• 3.5.3 正交四棱锥结构车削方法评价59
• 3.6 四棱锥结构车削方法误差分析59-62
• 3.6.1 误差来源60
• 3.6.2 误差计算60-62
• 3.7 两种四棱锥结构车削方法效率62-63
• 3.7.1 辊筒斜45°四棱锥结构车削方法效率62-63
• 3.7.2 辊筒正交四棱锥结构车削方法效率63
• 3.8 本章小结63-66
• 第四章 单点金刚石车削工艺参数与切削力研究66-86
• 4.1 引言66
• 4.2 金刚石切削中切削力理论分析66-68
• 4.2.1 金刚石切削中切削力来源66-67
• 4.2.2 金刚石切削中切削力分解67-68
• 4.2.3 金刚石车削中的切削力经验公式68
• 4.2.4 金刚石车削中切削力对工件加工质量的影响68
• 4.3 切削过程模拟模型建立68-71
• 4.3.1 有限元软件的选择68-70
• 4.3.2 有限元模型建立70-71
• 4.4 车削不同材料切削力比较71-79
• 4.4.1 车削材料的选择71-72
• 4.4.2 车削模拟工艺选择72-73
• 4.4.3 模拟结果及分析73-79
• 4.5 工艺参数与切削力关系79-84
• 4.5.1 切削深度a_p与切削力关系79-81
• 4.5.2 切削速度v_c与切削力关系81-84
• 4.6 模拟结果验证84-85
• 4.7 工艺参数的优化选择85
• 4.8 本章小结85-86
• 第五章 车削质量的仿真与试验分析86-100
• 5.1 引言86
• 5.2 粗糙度测量方法及标准86-87
• 5.2.1 粗糙度测量方法概述86
• 5.2.2 常用粗糙度标准86-87
• 5.3 粗糙度形成分析87-90
• 5.3.1 粗糙度影响因素概述87-88
• 5.3.2 几何因素的影响88-90
• 5.3.3 非几何因素影响90
• 5.4 车削系统仿真模型建立90-93
• 5.4.1 车削系统简化90-91
• 5.4.2 控制系统模型91-93
• 5.5 车削系统仿真结果及分析93-94
• 5.5.1 车削系统仿真结果93
• 5.5.2 车削系统仿真结果评价93-94
• 5.6 辊筒模具微V结构车削试验与检测94-98
• 5.6.1 辊筒模具微V结构车削试验94-95
• 5.6.2 工件表面形貌检测设备选择95-97
• 5.6.3 工件表面形貌检测结果97-98
• 5.7 仿真结果与检测结果比对98-99
• 5.8 本章小结99-100
• 第六章 总结与展望100-102
• 6.1 结论100-101
• 6.2 进一步工作展望101-102
• 参考文献102-106
• 致谢106-108
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文108-110
• 作者和导师简介110-111
• 附件111-112

【参考文献】

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