铝合金7050-T7451微切削加工机理及表面完整性研究

摘要

随着航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学以及生物工程技术的发展,对精密/超精密三维微小零件(特征尺寸在微米级到毫米级)的需求日益迫切。目前的多种微细加工技术中,针对硅基材料的刻蚀技术、薄膜技术以及LIGA技术等应用广泛。但是它们的主要加工对象被限制在硅基材料上,并且工件的几何形状基本上是简单的二维形状。而微切削技术是把常规切削技术应用到微观领域,有其自身优势。使用CNC加工中心可实现2D、2.5D简单特征到复杂的3D复杂形貌或者自由曲面的微加工,通过此方法加工微小模具可达到批量生产的目的。另外,微切削加工被加工材料几乎不受限制,可以满足微型零件对材料多样性的要求。由于工件、刀具尺寸的大幅减小导致微切削加工中表现出许多与常规切削加工不同的现象。微切削加工机理研究方面,刀具刃口半径的存在对切屑形成、尺度效应、最小切削厚度现象等有非常明显的影响。另外微切削力建模、微切削中的表面完整性与微毛刺的产生及微切削加工过程仿真等方面的研究,是目前微切削加工研究中的关键技术问题。
　　 切削力是研究切削加工过程的重要物理量之一,研究切削力对进一步弄清切削机理,对计算功率消耗,对刀具、机床、夹具的设计,对制定合理的切削用量,优化刀具几何参数等,都具有非常重要的意义。通过对微铣削加工过程向二维直角切削加工的简化,建立体现微切削特点的二维切削力模型,并对切削区域进行重新区划。为了便于使用Kistler9257B型测力仪进行加工过程切削力的测量,对工件进行预处理,使用数控铣削中心实现直角车削试验过程。考虑刀具刃口半径的存在对微切削加工过程的影响,试验方案在不同切削速度下变换切削深度,实现单因素直角切削。试验过程中测得不同切削用量下的切削力,对切削力进行处理后得到不同切削参数下的平均切削力,发现切削力和切削抗力随切削深度变化呈现不同的变化规律；通过切削抗力与切削力的比值计算,发现随着切削深度的减小,三种速度下切削力比值均呈非线性增大趋势,尤其是当切削深度小于25μm时,增大趋势愈加明显,说明微切削加工时存在摩擦尺度效应;求得单位切削力,发现切削速度对单位切削力和单位切削抗力的影响并不是十分明显,而切削深度的变化对两种单位切削力的影响却非常大。当切削深度小于25μm的情况下,随着切削深度的减小,两种力的单位切削能量都随着切削深度的减小而成非线性增加,表明使用硬质合金刀具对铝合金7050-T7451过程中存在尺度效应,且刃口半径是引起尺度效应的重要因为。
　　 微切削加工中,由于最小切削深度的存在,切屑的形成过程与传统切削加工有较大不同,切屑形貌也有自身特点。在试验基础上得到不同切削加工条件下的微切屑形貌,发现在相同切削深度不同切削速度下产生的切屑卷曲程度不同,较高速度下产生的切屑卷曲程度比较低切削速度下的切屑卷曲程度小,在切削深度较大时该现象更为明显；另外,相同切削速度下,切削深度小于最小切深时,产生挤碎的褶皱切屑,切削深度大于最小切削深度时,产生平滑的连续切屑。切削深度非常小的情况下,直角车削的切削力发生周期性振动；而切削深度较大的情况下,切削力非常平稳,该现象反映了当切削深度小于最小切削深度时,工件材料在刀具刃口前端由堆积到形成切屑的过程；同时建立描述微切削加工的等效剪切角模型,研究切屑变形系数及其影响因素,可为表面完整性、刀具寿命测以及铣削参数优化等提供支持。
　　 微切削加工中由于刃口半径造成的尺度效应及最小切深的存在,切削刃附近的应变、应力分布及温度状况极为复杂,在试验中难以直接观测,同时也很难用解析力学的方法求解。使用有限元方法进行分析,并且对于试验和经验方式来说,是非常好的补充。材料模型的构建是进行切削加工有限元仿真的重要前提,同时也是该领域研究的难点。根据霍普金森压杆试验获得的不同应变、应变率、温度下的流动应力,对铝合金7050-T7451建立了基于Power-Law的材料本构关系。将铣削加工过程进行简化,建立考虑刃口半径的二维有限元CAD模型,对不同切削条件下的加工过程进行仿真,并将仿真切削力与试验结果进行了对比,发现仿真结果与试验值有较好的一致性。基于材料流动方式,从仿真结果中发现微切削加工中由于刃口半径存在,刀刃前区存在着金属停滞区,并获得硬质合金刀具切削铝合金7050-T7451的最小切削深度大约为刀具刃口半径的30％左右。通过变切削深度及变刃口半径的两组不同仿真,分析刀具刃口半径和切削参数对尺度效应、切削区域温度分布、剪切区域内的塑性应变和应变率分布等的影响规律。
　　 表面完整性是零件在加工或处理之后所具有的表面纹理和表层状态,其评价指标有表面粗糙度、加工硬度、残余应力以及微观组织等方面。通过单因素直角切削试验,得到了不同切削参数下的已加工表面。对已加工表面的粗糙度、表层微观组织、加工硬化以及残余应力进行测量,并对其受刀具刃口半径及切削参数等的影响规律进行分析。根据测得的表面粗糙度,验证试验过程中刀具刃口形貌保持完好；试验表明直角车削条件下,已加工表面的应力状态为残余拉应力,切削深度的变化对残余应力值有明显的影响,随着切削深度的减小,拉应力的值也随之减小,且当切削深度小于刃口半径(25μm)时,刀具的刃口半径影响明显。研究已加工表面残余应力的形成机制,并尝试根据位错理论建立加工硬化理论模型。
　　 微铣削加工技术是实现微小工件制造或者进行微小特征尺寸加工的重要方式。经过切削加工获得的零件表面,总是存在一定的表面粗糙度、塑性变形层、金相组织变化和表面裂纹,对于微小工件而言,其表面面积与体积的比值比传统切削加工要大的多,表面形貌和毛刺对于其尺寸精度和使用性能的影响更为突出。基于铣削加工表面形成理论分析,提出微切削加工过程已加工表面粗糙度的预测模型,该模型在传统理论粗糙度模型基础上,考虑最小切削深度、刀具形貌以及加工参数的影响,以微铣削铝合金7050-T7451试验为依据,对微铣削表面粗糙度、毛刺形成等特征进行研究,分析了铣削用量、刀具磨损等对表面形貌及毛刺生成的影响规律,为微铣削加工表面形成特征与状态的研究、合理选择切削参数提供依据。通过正交微铣削试验发现,切削深度对槽铣底面表面粗糙度的影响明显。试验结果表明,微槽铣铝合金7050-T7451的毛刺形式为顶部毛刺,且顶部毛刺的产生受最小切削深度及尺度效应的影响,同时切削深度、进给量及刀具磨损对毛刺尺寸也有直接影响,顺铣方式比逆铣方式能够更好的控制毛刺尺寸。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微切削的定义及其尺度范畴

1.3 微切削加工机理的研究现状

1.3.1 切屑形貌及最小切削深度研究

1.3.2 切削力和尺度效应研究

1.3.3 微切削表面质量及毛刺研究

1.3.4 微切削加工中工件材料的影响研究

1.3.5 微切削加工过程有限元仿真研究

1.4 存在的问题及课题提出

1.5 课题研究内容及研究方法

1.5.1 课题主要研究内容

1.5.2 论文框架

第2章 微切削切削力及尺度效应研究

2.1 微铣削力模型向二维直角切削模型的简化

2.2 二维微切削力模型

2.2.1 考虑金属停滞区的切削变形区的重新划分

2.2.2 二维切削力模型

2.3 直角切削试验方案

2.3.1 试验用材料及设备

2.3.2 试验参数选择

2.3.3 试验装置

2.4 切削力受刀具刃口半径及切削参数影响研究

2.4.1 切削力测量结果及数据处理

2.4.2 切削力经验公式建立

2.4.3 切削力变化规律分析

2.5 尺度效应研究

2.5.1 微切削中尺度效应的力学描述

2.5.2 基于应变梯度理论的尺度效应机理分析

2.6 本章小结

第3章 考虑最小切削深度的微切屑形貌及其形成机理

3.1 引言

3.2 微切削加工切屑形成机制

3.2.1 传统切削加工中切屑形成机制

3.2.2 微切削加工中切屑形成机制

3.2.3 最小切削深度模型

3.2.4 最小切削深度在微切削力上的体现

3.3 微切削加工切屑形貌

3.3.1 直角切削试验方案

3.3.2 微切屑的宏观形貌

3.3.3 微切屑的微观形貌

3.4 微切削加工切屑变形规律分析

3.4.1 微切屑平均厚度

3.4.2 微切屑变形系数

3.4.3 微切屑等效剪切角

3.5 本章小结

第4章 考虑刃口半径影响的有限元仿真研究

4.1 引言

4.2 Al7050-T7451材料属性

4.3 基于Power-Law方程的Al7050-T7451材料本构模型

4.4 有限元仿真模型建立及验证

4.5.1 CAE模型建立

4.5.2 有限元仿真结果验证

4.5 切削区域内的工件材料流动及最小切削深度

4.5.1 金属停滞区的形成机理

4.5.2 最小切削深度的获得

4.6 切削区域内温度、应变及应变率等的分布规律研究

4.6.1 切削深度的影响规律分析

4.6.2 刀具刃口半径的影响规律分析

4.7 本章小结

第5章 刀具刃口半径对已加工表面性能影响研究

5.1 引言

5.2 微切削加工已加工表面形成机理

5.3 微切削加工已加工表面粗糙度

5.4 微切削加工已加工表面残余应力

5.4.1 x射线残余应力测量原理

5.4.2 已加工表面残余应力测量及规律分析

5.5 微切削加工已加工表面微硬度

5.5.1 加工硬化评价指标

5.5.2 微硬度测量

5.5.3 加工硬化的机理分析

5.6 斜角微车削试验表面完整性研究

5.6.1 微车削试验方案

5.6.2 微车削表面粗糙度

5.6.3 微车削表面残余应力

5.7 本章小结

第6章 微铣削加工表面形貌及毛刺研究

6.1 引言

6.2 微铣削加工参数选择

6.3 微铣削正交试验

6.3.1 微铣削试验方案

6.3.2 槽底面表面粗糙度测量与分析

6.3.3 刀具磨损对表面粗糙度的影响

6.4 微铣削单因素试验

6.5 微铣削槽底表面形貌形成机理研究

6.6 微铣削试验中毛刺形貌

6.7 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

附表

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参与课题

致谢

英文论文

学位论文评阅及答辩情况