微型三轴切削机床的设计与微细切削工艺实验研究

摘要

近年来，伴随着航空航天、医疗电子等多个领域中产品小型化的设计与开发趋势，具有复杂三维形貌特征的微小型零件的高效高精度加工制造也越来越多地受到人们关注。传统的超精密加工装备存在占地面积大、使用维护成本高、能源消耗大等缺点，而衍生于微电子技术的MEMS技术难以加工复杂三维形貌的产品，同时受制于有限的加工材料；因此这两种技术均不适合微小型零件的现代化快速响应制造要求。此时，融合了传统机加工技术、数控技术以及小型化机床技术的微细切削制造技术，因其相对较高制造精度和相对较低生产成本的综合优势得到了国内外学术界的广泛关注。
　　本文以微型三轴切削机床的设计为基础，在微型机床实验平台上开展了对微铣削过程中最小切削厚度、切削力及表面形貌的研究，采用直角切削有限元仿真和微细切削实验的方法对微细切削过程中的最小切削厚度进行了分析，同时建立了切削力和表面粗糙度的经验公式，对切削参数进行了优化选择。本文旨在为微型机床的工业化应用和薄筋件微细切削加工参数优化做出探索，优化小型化零件的微细切削工艺过程。具体的研究工作还包括：
　　立式微型三轴切削机床的研制；针对惯性导航零件的加工技术指标，设计开发了一套立式三轴微型数控机床系统，包括直线电机在竖直方向运动时的气缸配重设计、切削力测量系统的搭建以及机床龙门结构的优化设计。通过有限元仿真分析表明所设计的三心拱龙门结构的静动态刚度相对传统龙门结构分别提高了12.8％和14.8%。随后通过锤击实验检测了三心拱结构固有振动频率，进一步对微型切削机床整机系统进行了有限元仿真分析，得到了微型数控机床整机的静力变形图，并对主轴夹持部分进行了改进设计。随后通过双频激光干涉仪对X、Y、Z运动轴的定位精度进行了检测。最后给出了一组零件薄壁筋特征的加工实例。
　　微细切削过程中最小切削厚度与刀具刃口圆弧半径关系的建立。首先应用位错理论分析了考虑尺寸效应下的材料本构模型修正，进一步在Deform仿真软件中进行正交直角切削过程有限元仿真分析获得恒弹合金材料最小切厚与刀尖刃口圆弧半径的关系；最后通过槽铣削实验中切削力和表面形貌的变化规律对上述关系进行了验证。
　　微细切削过程中切削力指数模型的建立。在获得最小切削厚度值的基础上，分犁切和剪切两个切削状态分别建立切削力关于切削厚度的指数模型。通过直角切削仿真实验对模型的系数进行拟合计算。最后通过两刃微铣刀的单齿切削实验对所建立的切削力模型进行了验证。
　　微细切削表面粗糙度的实验研究与工艺参数优化。首先选取每齿进给量、切削速度和切削深度这三个因素设计单因素实验，获得这三个参数对表面粗糙度的影响程度及规律，随后设计中心组合实验建立表面粗糙度的二次曲面响应模型，并对预测模型的显著性进行了检验。最后结合等高线图，以提高材料去除率为目标，对指定表面粗糙度下的切深及切削速度等参数进行了优化。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的背景与意义

1.3 国内外相关领域的研究现状综述

第二章 三轴微细切削机床系统的设计

2.1引言

2.2微型数控机床设计需求分析

2.3 微型数控机床的系统设计

2.4立式微型切削机床龙门结构的优化设计

2.5 立式微型数控机床的整机有限元仿真

2.6微细切削机床安装精度检测

2.7微型切削机床的定位精度与重复定位精度检测

2.8本章小结

第三章 最小切削厚度的有限元建模及实验验证

3.1引言

3.2正交直角切削过程的有限元建模

3.3最小切削厚度实验验证

3.4 本章小结

第四章 考虑最小切削厚度的微细切削力指数模型

4.1 引言

4.2铣削力模型向直角切削力模型的简化

4.3瞬时切削厚度计算模型

4.4切削力模型的实验验证

4.5本章小结

第五章 微铣削表面粗糙度实验研究与工艺参数优化

5.1引言

5.2单因素实验设计

5.3中心组合实验设计

5.4响应曲面建模

5.5微铣削工艺参数优化

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究内容总结

6.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢