微尺度铣磨复合加工机理及工艺实验研究

摘要

微小零部件在许多领域中有着重要作用，微尺度机械加工技术是制造微小零部件的主要手段。随着对微小零部件结构复杂化及精度要求的提高，微加工技术也面临着更大的挑战，对微加工技术的研究不断深入。近年来，微切削技术尤其是微铣削取得了快速发展，为提高微切削技术水平从各个方面进行了大量研究，包括改进微型机床，制备新型刀具，优化工艺条件，以及采用激光、振动等辅助手段。磨削技术也被应用到微尺度加工领域。如何提高加工表面质量与精度已成为微切削加工领域的关键问题。 微铣磨复合加工是一种融合了微铣削与微磨削的新方法，在一道工序中同时完成微铣削与微磨削两种加工，是两者的作用叠加和工序集合，兼具微铣削高效率和微磨削高质量的加工特点，其加工机理与微切削和微磨削有很大区别。为实现微铣磨复合加工的工艺方法，了解其加工机理，本文在微铣削与微磨削的研究基础上，通过几何建模、有限元仿真和实验手段对微铣磨加工的基础问题和关键技术进行了探索性研究，主要体现在以下几个方面: (1)探讨微铣磨加工的材料去除机理，建立微铣磨加工几何模型，阐述材料去除和表面形成过程。在磨削几何学的基础上，推导了微铣磨加工的磨粒最大未变形切屑厚度及每齿磨削层厚度;根据微铣磨加工的表面创成原理，以传统铣削表面粗糙度几何模型为基础，同时在考虑加工参数的影响下，建立了微铣磨加工表面粗糙度的理论模型，通过实验对模型进行了验证;通过有限元仿真手段分析刃口最小切屑厚度，以及切屑形成过程中加工区的应力应变和温度场等物理量的分布和变化，有助于了解后刀面磨粒对加工的影响。 (2)探索微铣磨复合刀具的制备方法，以不同方法制备了微铣磨刀，对刀具进行了图像学评价和实验评价。观察刀具表面磨粒地貌特征，统计磨粒分布密度、间距及出刃高度;用复合刀进行了槽铣磨和侧铣磨实验，通过与微铣削对比发现，微铣磨刀在侧壁加工中能明显降低表面粗糙度;确定了微铣磨刀的主要磨损类型为磨粒脱落，使用切削液能提高刀具使用寿命。 (3)通过实验分析微铣磨加工的表面特征，研究微铣磨加工表面完整性。观察了微铣磨加工的表面纹理和形貌特征，发现微铣磨加工对毛刺有良好的抑制效果;研究了微铣磨表面粗糙度、表面变形层微观组织和表面硬度，分析了加工参数和加工方式对加工表面粗糙度和表面硬度的影响，为工艺条件优化提供依据。 (4)通过侧壁加工实验分析微铣磨加工的力热特性。研究了微铣磨加工过程中切削力和温度的动态变化，与微铣削和微磨削进行了对比，分析了信号的周期和幅值特征;分析了加工参数和加工方式对切削力和切削温度的影响。 本文成功制备了可供使用的微铣磨刀，实现了微铣磨复合加工的技术方法，从理论和实验方面进行了探索和研究，有助于了解微铣磨复合加工机理，完善微机械加工的理论体系，促进微加工技术水平提升。

目录

声明

摘要

1．1课题背景和来源

1．2微机械加工技术

1．2．1微加工工艺方法

1．2．2微型机床

1．2．3微型刀具和磨具

1．3微铣削与微磨削研究现状

1．3．1微铣削机理研究

1．3．2微磨削机理研究

1．3．3存在的问题和不足

1．4课题研究目的和意义

1．5论文主要内容

第2章微铣磨复合加工几何建模

2．1微铣磨加工的方法与原理

2．1．1方法与特点

2．1．2表面创成原理

2．2单刃单磨粒二维正交微切削模型

2．3磨粒最大未变形切屑厚度

2．4每齿磨削层厚度

2．5本章小结

第3章基于单刃单磨粒正交切削的微铣磨仿真研究

3．1单刃单磨粒正交切削有限元模型

3．1．1仿真方法与软件

3．1．2有限元建模

3．2刃口最小切屑厚度

3．2．1磨粒对刃口切削成屑的作用

3．2．2刃口半径对最小切屑厚度的影响

3．2．3磨粒粒径对最小切屑厚度的影响

3．3应力与应变

3．3．1切削变形区

3．3．2等效塑性应变

3．3．3等效应力

3．3．4剪应力和剪切角

3．4能量变化

3．5切削温度

3．5．1温度区

3．5．2加工过程中的温度场变化

3．5．3加工过程中各温度区的温度变化

3．5切削力

3．6本章小结

第4章微铣磨复合刀具制备与实验研究

4．1微铣磨复合刀具设计

4．1．1刀具制备原理

4．1．2刀具几何结构

4．1．3刀具材料与磨料

4．2冷喷涂微铣磨刀

4．2．1喷涂技术

4．2．2冷喷涂微铣磨刀的制备

4．2．3冷喷涂微铣磨刀加工实验及对比分析

4．2．4单刃与两刃刀具对比实验分析

4．2．5冷喷涂微铣磨刀的磨损

4．2．6冷喷涂微铣磨刀的缺点

4．3电镀微铣磨刀

4．3．1电镀刀具制备技术

4．3．2局部电镀微铣磨刀

4．3．3电镀微铣磨刀表面磨粒地貌特征

4．3．4电镀微铣磨刀加工实验及对比分析

4．3．5电镀微铣磨刀的磨损

4．3．6电镀微铣磨刀的缺点

4．4本章小结

第5章微铣磨加工表面完整性研究

5．1微铣磨表面粗糙度模型及实验研究

5．1．1表面粗糙度理论模型

5．1．2加工参数对表面粗糙度的影响

5．1．3理论模型修正

5．1．4加工方式对表面粗糙度的影响

5．1．5刀具径向跳动对表面粗糙度的影响

5．2微铣磨表面形貌特征

5．2．1微铣磨与微铣削及微磨削的表面形貌对比分析

5．2．2不同粒度加工的表面形貌

5．2．3不同加工参数的表面形貌

5．2．4不同加工方式的表面形貌

5．3微铣磨与微铣削的毛刺对比分析

5．3．1侧壁表面毛刺

5．3．2顶部毛刺

5．3．3底边毛刺

5．4微铣磨表面层微观组织变化及对比分析

5．4．1实验设计

5．4．2结果分析

5．5微铣磨与微铣削表面显微硬度对比分析

5．6本章小结

第6章微铣磨力与温度的实验研究

6．1微铣磨力特征及其与微铣削力和微磨削力的对比分析

6．1．1实验条件

6．1．2切削力的周期变化

6．1．3切削力的幅值

6．1．4切削力的大小

6．2加工参数和加工方式对微铣磨力的影响

6．2．1加工参数的影响

6．2．2加工方式的影响

6．3较高材料去除率下的微铣磨力

6．4微铣磨温度测量方法

6．4．1常用测温方法

6．4．2微铣磨测温试件制备

6．4．3热电偶标定

6．5微铣磨温度特征及其与微铣削和微磨削的对比分析

6．5．1实验条件

6．5．2典型切削温度信号特征

6．5．3加工参数对微铣磨温度的影响

6．6本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

作者简介