【摘要】：微切削加工技術是基于MEMS微型產(chǎn)品為應用背景而發(fā)展起來的一項先進制造技術,隨著科學技術的不斷深入發(fā)展,越來越多的承載各種作用和不同功能的微型產(chǎn)品應用到不同領域,這對微小型零件的結(jié)構(gòu)復雜程度、材料的多樣性、形狀精度、表面粗糙度等均提出了越來越高的要求。微切削加工技術由于適用于多種材料,三維加工能力強而被廣泛的應用在微型零件和微小結(jié)構(gòu)的加工上,相對于其它微細加工方法在加工效率、加工精度和加工成本上有著絕對的優(yōu)勢。在微納尺度下探索切削加工機理是一個嶄新的研究領域,宏觀尺度下的一些理論已不能解釋微觀狀態(tài)下的切削現(xiàn)象,而材料在微納尺度下的加工特性也發(fā)生了一些改變,如何將宏觀尺度下的加工理論延伸到微納尺度下,尋求微切削加工中特殊規(guī)律,探索其背后產(chǎn)生的機制,對完善切削理論體系,發(fā)展微切削加工技術,推動微細制造技術迅速應用于工業(yè)化生產(chǎn)有著重要意義。本課題針對微切削加工中的尺寸效應現(xiàn)象,從機械、材料、力學的角度上探討微觀尺度下材料去除機理、切屑形成過程及微銑削力影響機制,主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:鈍圓刃口是引起微切削尺寸效應的一個重要因素,當極薄的未變形切削厚度與鈍圓刃口圓弧半徑相當時,刀具參與切削部分的主要集中在刃口區(qū)域,刀具的名義前角不再起作用。針對微切削加工中鈍圓刃口產(chǎn)生的犁耕效應,建立了基于ALE-FEM法的熱力耦合微切削有限元模型,研究分析了純圓刃口切削加工方式以及停滯點的形成機理及影響因素,獲得最小切削厚度值,通過對比了鋒利刃口和純圓刃口的切削過程,發(fā)現(xiàn)停滯點是鈍圓刃口獨有現(xiàn)象,并基于停滯點提出一種新的有效前角模型。仿真結(jié)果顯示:當刃口圓弧半徑越大,停滯點越明顯,犁耕效應越顯著,但未變形切削厚度的改變并不影響停滯點的高度位置,當切削速度越低,越容易產(chǎn)生停滯點,犁耕效應越顯著。隨著加工尺寸的減少,材料的微觀組織結(jié)構(gòu)效應不能忽略。針對AISI1045鋼在電子顯微鏡下的微觀組織結(jié)構(gòu)及金相顆粒尺寸,根據(jù)未變形切削厚度與金相顆粒尺寸之間的關系,建立不同加工尺度下的二維熱力耦合正交切削有限元模型,研究了材料中微觀組織對切屑形態(tài)、加工表面質(zhì)量及切削力的影響。仿真結(jié)果中的切屑形態(tài)與實驗中的一致說明了模型的準確性和可靠性。相比于以往模型,這種基于材料微觀組織結(jié)構(gòu)的有限元模型能更好的捕捉材料局部加工特性,反映出非均質(zhì)材料內(nèi)部金相組織的加工狀態(tài)。研究結(jié)果顯示:當加工尺度從宏觀降到微觀尺度,AISI1045鋼的切屑形態(tài)發(fā)生了很大改變,尤其是當未變形切削厚度小于最小金相顆粒尺寸時,切屑呈現(xiàn)出類似羽毛狀的"準靜態(tài)擠壓"狀;在鈍圓刃口切削加工下,已加工表面粗糙度明顯增加,毛刺增大,材料的微觀組織結(jié)構(gòu)效應顯著,尤其是在不同金相邊界處,殘余應力,等效塑性應變出現(xiàn)了"斷層"現(xiàn)象。研究了微銑削中加工特點及微細銑削力的建模技術,針對微銑削中的尺寸效應現(xiàn)象及微細銑刀的幾何結(jié)構(gòu)特點,建立一種新的三維瞬態(tài)銑削力學模型,以二刃螺旋刃微細銑刀為例,基于整體刀具求得切削層面積,繼而獲得銑削力,在保證模型的預測能力下,避免了離散積分的數(shù)學處理過程,減少了中間建模的誤差項。根據(jù)微銑削加工鈍圓刃口引起的犁耕效應,考慮到切削刃圓弧半徑和材料的彈性恢復量,將銑削力模型分別建為剪切去除方式的切削力和擠壓去除方式的犁耕力,采用真實刀尖軌跡來建立瞬時切削厚度模型。為了驗證所建立微銑削力學模型的準確性和研究加工參數(shù)對微銑削力的影響,在微型銑床上進行了一系列A16061鋁合金微銑削試驗。試驗結(jié)果顯示:主軸轉(zhuǎn)速對銑削力的影響力最小;軸向切深對側(cè)銑的徑向力影響最大;當每齒進給量小于1μm時會增大銑削力,出現(xiàn)尺寸效應現(xiàn)象。根據(jù)分析可知:在保證加工質(zhì)量前提下,微銑削應選擇較大的主軸轉(zhuǎn)速和較小的軸向切深,避免每齒進給量小于最小切削厚度,在選擇側(cè)銑加工深腔型零件時,應選擇較小的軸向切深,多次走刀的加工工藝。
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【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG54

【參考文獻】

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本文編號：2303577