信息储存功能驱动的微结构功能表面切削机理及数值分析

摘要

近年来,随着航空航天、信息处理、生物医学以及微电子技术的发展,人们对具有特定功能微结构表面的需求越来越广泛,受应用需求驱动的影响,目前,国内外针对微结构功能表面制造技术的研究也在不断深入,同时新的加工方式也在不断出现,因微切削加工技术具有加工材料范围广泛、加工成本低、生产效率高等诸多优点,从而成为微结构功能表面的主要加工技术之一。本文针对微结构功能表面的具体应用,通过微切削实验结合有限元仿真,研究了切削参数对微结构表面质量的影响及微切削过程中尺度效应的存在。具体研究内容如下:
　　 微切削加工的有限元建模及仿真。基于应变梯度塑性理论,针对以经典连续介质力学为理论基础的传统的切削仿真模型难以反应微切削过程中尺度效应对工件材料变形的影响,应用微观力学应变梯度理论,以商用有限元软件ABAQUS/Explicit为平台,对传统的Johnson-Cook(JC)材料本构模型进行了修正,建立了反应微切削条件下的切削仿真模型,并借助该模型分析了微切削条件下刃口圆弧半径和切削厚度对第一变形区切削应力、等效塑性应变及切屑变形的影响,通过对比宏观切削,验证了微切削过程中材料尺度效应的存在。
　　 微切削加工的表面质量研究。以微结构信息存储为应用背景,针对在微结构功能表面中应用较广泛的微型沟槽结构,通过微沟槽切削实验,对比了不同切削参数下切屑的形貌,研究了切削深度和切削速度对微结构形状精度及表面质量的影响:切削深度越小,切屑连续性越差,刀尖圆弧半径对微沟槽成型的影响越明显,切削速度的提高可以有效的提高微沟槽表面质量但会降低其形状精度。
　　 微结构功能表面在信息储存中的应用研究。针对机械产品在生命周期不同阶段加工和使用信息的记录和存储,提出了适用于机械产品信息存储的方式,运用通用的信息编码格式,结合微切削技术,在工件表面实现了能够用于信息储存的不等间距微沟槽结构的加工。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微结构功能表面应用背景

1．3 微结构功能表面加工方式研究

1．4 微结构切削加工的研究现状

1．4．1 微结构切削加工的理论研究

1．4．2 微结构切削加工的实验研究

1．4．3 微结构切削加工的数值分析

1．5 微结构切削加工存在的问题

1．6 论文的研究目的、意义和总体框架

1．6．1 论文研究的意义及目标

1．6．2 论文研究内容和总体框架

第二章 基于有限元仿真的微切削机理研究

2．1 引言

2．2 微切削本构模型的推导

2．3 微切削加工的有限元建模

2．3．1 材料模型

2．3．2 几何模型及网格划分

2．3．3 刀屑接触模型

2．3．4 热传导模型

2．3．5 切屑分离准则

2．4 有限元仿真的结果分析

2．4．1 微切削切屑形成过程

2．4．2 刀具刃口圆弧半径对切屑形成的影响

2．4．3 微切削第一变形区应力应变分布

2．4．4 微切削切削深度影响规律分析

2．5 本章小结

第三章 微切削加工的表面质量研究

3．1 引言

3．2 等间距微沟槽车削试验方案

3．2．1 实验用刀具、机床及材料

3．2．2 微车削试验参数的确定

3．3 不同切深微沟槽切削实验结果分析

3．3．1 不同切深微沟槽表面质量

3．3．2 不同切深微沟槽形状精度

3．3．3 不同切深切屑形貌对比

3．4 不同切削速度微沟槽实验结果分析

3．4．1 不同切削速度微沟槽表面质量

3．4．2 不同切削速度微沟槽形状精度

3．5 本章小结

第四章 微结构功能表面的切削加工及在信息储存中的应用

4．1 引言

4．2 常用信息存储方式及编码格式

4．3 机械产品信息存储方案

4．4 不等间距微沟槽的车削实验

4．5 条形码信息识读设备

4．6 本章小结

第五章 总结及展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参研的课题

致谢

学位论文评阅及答辩情况表