单点金刚石超精密车削微结构加工工艺规划研究

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巾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。当辊简直径为500mm时，其滚压过程中的斜度误差为0.00073°，即在滚压100mm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45°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45°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εeq。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ap与切削速度vc的切削模拟，发现了切削力随着切削深度ap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结构的二组表面粗糙度。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。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 本课题的来源及背景

1．2 国内外单点金刚石车削现状

1．2．1 超精密加工发展历史

1．2．2 超精密加工技术应用

1．3 金刚石车削刀具路径规划概述

1．4 金刚石车削工艺概述

1．5 单点金刚石车削刀具

1．6 本文主要研究内容

第二章 辊筒模具微V结构刀具路径规划研究

2．1 引言

2．2 辊筒模具微v结构成型原理

2．3 加工参数选择与加工尺寸确定

2．3．1 加工设备的选择

2．3．2 加工尺寸确定与加工参数的选择

2．4 传统辊筒模具微V结构车削方法

2．4．1 车削刀具运动流程

2．4．2 车削刀具运动路径

2．4．3 传统车削方法的缺点

2．5 改进辊筒模具微V结构车削方法

2．5．1 车削刀具运动流程

2．5．2 车削刀具运动路径

2．5．3 改进车削方法的优点

2．6 改进辊筒模具微V结构滚压误差

2．6．1 滚压误差来源

2．6．2 滚压误差表征

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

2．8 仿形法加工与轨迹法加工方法比较

2．8．1 两种方法车削原理

2．8．2 两种方法车削刀具路径

2．8．3 两种方法车削效率

2．9 本章小结

第三章 辊筒模具四棱锥结构刀具路径规划研究

3．1 引言

3．2 辊筒模具四棱锥结构成型原理

3．3 加工参数选择与加工尺寸确定

3．3．1 加工设备的选择

3．3．2 加工尺寸确定与加工参数选择

3．4 辊筒模具斜45°四棱锥结构加工方法

3．4．1 车削刀具运动流程

3．4．2 车削刀具运动路径

3．4．3 斜45°四棱锥结构车削方法评价

3．5 辊筒模具正交四棱锥结构加工方法

3．5．1 车削刀具运动流程

3．5．2 车削刀具运动路径

3．5．3 正交四棱锥结构车削方法评价

3．6 四棱锥结构车削方法误差分析

3．6．1 误差来源

3．6．2 误差计算

3．7 两种四棱锥结构车削方法效率

3．7．1 辊筒斜45°四棱锥结构车削方法效率

3．7．2 辊筒正交四棱锥结构车削方法效率

3．8 本章小结

第四章 单点金刚石车削工艺参数与切削力研究

4．1 引言

4．2 金刚石切削中切削力理论分析

4．2．1 金刚石切削中切削力来源

4．2．2 金刚石切削中切削力分解

4．2．3 金刚石车削中的切削力经验公式

4．2．4 金刚石车削中切削力对工件加工质量的影响

4．3 切削过程模拟模型建立

4．3．1 有限元软件的选择

4．3．2 有限元模型建立

4．4 车削不同材料切削力比较

4．4．1 车削材料的选择

4．4．2 车削模拟工艺选择

4．4．3 模拟结果及分析

4．5 工艺参数与切削力关系

4．5．1 切削深度ap与切削力关系

4．5．2 切削速度vc与切削力关系

4．6 模拟结果验证

4．7 工艺参数的优化选择

4．8 本章小结

第五章 车削质量的仿真与试验分析

5．1 引言

5．2 粗糙度测量方法及标准

5．2．1 粗糙度测量方法概述

5．2．2 常用粗糙度标准

5．3 粗糙度形成分析

5．3．1 粗糙度影响因素概述

5．3．2 几何因素的影响

5．3．3 非几何因素影响

5．4 车削系统仿真模型建立

5．4．1 车削系统简化

5．4．2 控制系统模型

5．5 车削系统仿真结果及分析

5．5．1 车削系统仿真结果

5．5．2 车削系统仿真结果评价

5．6 辊筒模具微V结构车削试验与检测

5．6．1 辊筒模具微V结构车削试验

5．6．2 工件表面形貌检测设备选择

5．6．3 工件表面形貌检测结果

5．7 仿真结果与检测结果比对

5．8 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 进一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

作者和导师简介