微铣削力在高速微尺度加工中的实验研究与分析

对微铣削过程中微铣刀刀刃受到的微铣削力进行测量,并研究其特性和变化规律.从理论角度对螺旋立铣刀的受力机理进行重点分析.借助现有的微铣削实验平台,选择典型的工件材料并设计相应的实验方法.对加工不同材料工件的刀具所受到的微铣削力进行分析,获得了微铣削力的特征和变化规律.实验结果表明:刀具受到的微铣削力随着微铣削参量的变化而变化,其变化规律与加工工件的材料性能密切相关.微铣刀刃径、每齿进给量、轴向铣削深度和材料的晶粒尺寸是引起尺寸效应的主要因素.     

基于瞬时铣削力的球头铣刀铣削力系数辨识

面向多轴铣削加工的铣削力预测,提出了基于瞬时铣削力的球头铣刀铣削力系数辨识方法.首先建立了铣削过程中刀具的瞬时坐标系来准确描述多轴加工中刀具的位置和位姿,在此基础上建立了球头铣刀任意位置和位姿的通用铣削力模型,即建立了铣刀刀刃微元的切削弧长,刀刃微元的切削宽度和瞬时未变形切削厚度的数学模型.然后根据铣削力模型推导了基于瞬时铣削力的铣削力系数辨识模型.最后通过铣削力系数辨识实验和铣削力仿真计算,验证了方法的正确性和可靠性.     

微纳尺度下铣削力模型

为了真实反映微纳尺度下铣削力的变化规律,在充分考虑微铣削过程中刀具钝圆半径、最小切削厚度、弹性恢复等条件下,区分材料变形的剪切区和犁耕区,运用正交切削理论分区建立单元切削力,并由实验数据标定剪切区和犁耕区的切削系数,建立了一个新的微纳尺度下的铣削力模型.实验与仿真结果表明:新模型较真实地反映了微纳尺度下复杂的铣削力,修正了现有铣削力模型,为微切削加工机理研究、加工表面质量控制和刀具磨损的监测等提供了一定的参考依据.     

多晶材料的微铣削建模与实验研究

对微铣削多晶材料的加工机理进行了详细分析,建立了相应的加工过程模型.重点考虑了最小切屑厚度和材料金相组织的作用,并对微铣削力和加工表面生成的影响因素进行了细致分析.分析发现多晶材料不同的晶粒特性会导致生成表面产生波动,并致使切削力产生附加振动.最小切屑厚度将决定刀具对晶粒是否进行材料去除,并使切削过程产生高频波动.大量的实验研究表明,模型准确地预测了微铣削现象,对优化加工参数、提高生产效率和加工质量提供了理论基础.     

不同晶粒度45#钢超声辅助微铣削实验研究

超声辅助微铣削是在微铣削的加工过程中,对刀具或者工件施加一定频率和振幅的超声振动,改变材料去除机理,改善微铣削的加工特性.文中以45#钢为例研究晶粒度的大小对超声振动辅助微铣削结果的影响,对不同大小晶粒下45#钢进行了超声微铣削实验,分析材料晶粒度的大小对超声辅助微铣削实验结果的影响.通过改变微铣削工艺参数和超声振幅并进行正交实验,重点分析晶粒度的大小对铣削力,加工表面粗糙度和加工工件精度的影响.验证了在相同的工艺参数下微铣削过程中晶粒度较大的材料对应较小铣削力的结论,同时晶粒度较大的材料可以获得更好加工表面质量.      

微铣刀磨损对工件温度场影响的数值模拟

针对微铣削加工过程中的温度难以准确测量和精准控制的问题,主要从温度的角度出发建立了有限元数值分析模型.选取ALE自适应网格技术和热-机耦合方法,按照实际情况合理设置所需参数,并结合刀具磨损后其微切削刃半径变大这一重要条件,对工件温度变化的影响进行了数值模拟仿真.数值仿真结果表明:工件各温度区的温度变化趋势基本符合实际的微铣削加工过程温度场的变化趋势.这一数值分析结果将对微铣削实验加工有一定的指导意义.     

Inconel 718介观尺度薄壁件微铣削力预测

Inconel 718介观尺度薄壁件在航空航天、医疗和通讯等领域的需求日益增长.薄壁微铣削变形是领域内的难题，而微铣削力是引起加工变形的重要因素.为实现薄壁微铣削力的预测，建立了Inconel 718薄壁微铣削加工过程的有限元仿真模型，以及微铣刀和薄壁件的几何模型，完成了网格划分，并验证了网格独立性.采用Johnson-Cook本构模型和失效准则描述材料本构关系和切屑分离准则，修正库仑模型描述摩擦特性.对比薄壁微铣削过程仿真模型输出的微铣削力与实验测量结果，最大和平均相对误差分别为11.23%,7.04%,验证了模型的有效性和准确性.     

基于单刃单磨粒正交切削的微铣磨温度仿真

建立单刃单磨粒正交切削模型,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法,对微尺度铣磨复合加工进行有限元仿真,分析切削过程中的温度场分布与变化情况,以及后刀面磨粒磨削对加工温度的影响.按照热源分布位置划分温度区,分析加工过程中各温度区温度变化规律.通过仿真结果发现,工件加工时温度场中的最高温度出现在磨粒磨削区和毗邻刃口处两个位置;除磨粒磨削区外,微铣磨复合加工工件各温度区温度变化规律与微铣削相同;后刀面磨粒磨削作用使切削过程中工件各温度区温度升高,离磨削区越近,温升越大.     

复杂曲面加工过程多约束自适应进给率控制策略

建立了基于过程约束和刀具运动分析的切削力精确预测模型,在此基础上提出了复杂曲面加工过程多约束的进给率自适应定制方法.基于刀具与工件的相对运动分析,并依据刀刃微元在切削过程中真实运动轨迹的解析表达,建立了精确计算未变形切屑厚度的理论模型,由此给出针对复杂曲面加工的任意刀具运动轨迹拓扑形状的铣削力计算公式.以切削力模型为基础,结合悬臂梁模型、应力模型和扭矩计算公式,给出进给率定制过程中的关键制约因素.以材料去除率最大化为目标,通过求解有约束极值问题实现进给率优化.实例验证表明该模型能够进行复杂曲面加工进给率自适应定制,优化后的进给率有利于在保证加工精度和安全的前提下实现加工效率的最大化.     

圆弧曲面加工铣削力预报解析模型

为了控制在多轴机床上对圆弧曲面进行精确的铣削加工,建立了铣削力解析模型。在加工过程中为了保证加工的精度,铣刀与被加工表面之间保持垂直,这就造成了瞬时未变形切屑厚度在铣刀轴线方向上是一个变量。因此圆弧曲面铣削加工是一个动态切削过程。将铣刀沿轴线方向划分成若干微段,每个微段的切削看作一个稳态切削,根据已有的稳态过程铣削力模型,可以得到在每个微段上单位铣削力模型,然后沿轴线方向积分得到圆弧曲面铣削加工铣削力解析模型。通过实验,验证了该模型的有效性。     

碳纤维复合材料螺旋铣孔瞬时切削力系数识别

在螺旋铣孔过程中,刀具绕其自身轴线自转的基础上围绕预加工孔中心公转并保持轴向进给.为了准确预测碳纤维增强复合材料(CFRP)螺旋铣孔过程中的切削力,基于螺旋铣孔的基本切削机理,考虑刀具侧刃和底刃在进给过程中对切削过程的影响及复合材料的各向异性特征,构建螺旋铣孔过程中切削力解析模型.根据全因子条件下复合材料螺旋铣孔试验数据,采用数据拟合方法识别底刃切削力系数,采用瞬时切削力方法识别侧刃切削力系数.结果表明仿真切削力能够较好地拟合试验值.     

切削刀具倒棱刃口挤压力的理论计算

根据试验观察．揭出了刀具刃口带负倒棱时的切削模型。在此模型中,刀具刃口 存在一个“金属死区”。以新模型为基础．采用能量法,对高温、高应变率下刀具刃 口的挤压力进行了理论计算。所做工作的特点是：１）在材料变形分析中计入了挤压 层金属绕过刀具刃口时的过剩变形;２）进行有关材料变形与物理特性的计算时,考 虑了温度与应变率的影响。利用新研制的压电式切削测力仪进行验证试验,其结果表 明,理论计算值与实测数据较好一致。     

氟金云母陶瓷车削中脆性材料切削热传导理论模型的研究

通过分析可加工陶瓷切削温度变化规律,提出脆性材料在车削中存在着两个不同的温升阶段,反映了切削系统存在的热传导及热积累效应。根据热传导基本理论,建立以刀具-工件接触点为移动热源的脆性材料切削热传导理论模型,结合微元法量化脆性材料车削中的热量分配,采用能接近实际车削中温度场变化形式的镜像热源原理,求解脆性材料切削温度的二次跃迁值。用PCD(聚晶金刚石)刀具车削氟金云母陶瓷,进行切削验证实验,结果表明,脆性材料切削热传导理论模型能够较准确地求解切削温度的二次跃迁值,并反映陶瓷等脆性切削温度场的变化趋势。     

单晶镍基高温合金微铣削力试验

以单晶镍基高温合金DD98为研究对象,从单晶高温合金微观组织分析材料去除机理,得出DD98滑移面为密排面{111},滑移向为密排方向110,克服阻力最小,最易滑移.采用双刃微铣刀对单晶镍基高温合金DD98进行正交试验,通过极差分析比较获得切削参数对微铣削力的影响程度.结果表明,主轴转速的影响最大,进给速度其次,铣削深度最小.通过优化获得理想的切削参数为:主轴转速36 000 r/min,铣削深度5μm,进给速度20μm/s,此时微铣削力最小.并对其原因进行深入分析,为单晶高温合金的微加工理论的机理揭示提供理论参考和试验依据.     

铝合金6061微尺度铣削的铣削力仿真与实验研究

采用有限元仿真和单因素实验相结合的方法,研究了铝合金6061微尺度铣削的铣削力影响因素.建立了刀具和工件的三维模型并对其进行装配和网格划分,通过有限元仿真模拟了铝合金6061材料的微尺度铣削过程,得到了铣削速度和铣削深度对铣削力的影响规律,并进行了单因素实验研究.结果表明:随着主轴转速的不断增大,铣削力先增大后减小,转折点为24000r/min;随着铣削深度的不断增大,铣削力先增大后减小再增大,转折点为10μm和12μm;随着进给速度的不断增大,铣削力也不断增大.优选出铝合金6061材料微尺度铣削最优工艺参数组合为:主轴转速48000r/min,铣削深度5μm,进给速度20μm/s.     

低速WEDM制备的微织构螺旋微铣刀的铣削实验研究

基于五轴低速走丝电火花线切割机床与回转机构相结合的加工方法，制备了后刀面具有微织构的螺旋微铣刀.建立了微织构螺旋微铣刀微刃单元的切削力理论模型，并开展微织构微铣刀与常规微铣刀的对比实验研究.结果表明:微织构螺旋微铣刀的切削力相对于常规刀具降低了30%~40%，相同加工条件下，微织构螺旋微铣刀所加工的表面粗糙度降低至0.745μm，而常规微铣刀所加工的表面粗糙度为1.130μm.     

单晶镍基高温合金DD98微铣削表面质量试验

为研究单晶高温合金的微铣削表面质量,使用M.A.FORD双刃端铣刀,刀刃直径为0.8 mm,试验材料为单晶高温合金DD98,完成正交试验研究.通过极差分析找出主轴转速、进给速度、铣削深度对微铣削表面质量影响的主次因素,即主轴转速的影响最大,铣削深度其次,进给速度最小;采用统计学知识,获得切削工艺参数的优化组合,使表面粗糙度最小,即主轴转速为n=3.6 kr/min,铣削深度为ap=5μm,进给速度为v=100μm/s,对此优化方案重复试验,表面粗糙度值为951 nm.并对其切削机理和影响表面质量及形貌的原因进行深入的分析,对单晶高温合金的微加工理论的机理揭示具有一定的指导意义.     

Inconel 718微铣削加工表面残余应力有限元仿真

刃口圆弧半径和每齿进给量显著影响微铣削镍基高温合金残余应力,因此进行了基于ABAQUS的Inconel 718微铣削三维仿真研究.基于J-C本构方程模拟材料应力应变关系,得到相同单元在S11和S22两个方向的残余应力值,进而研究每齿进给量对表面残余应力的影响规律.进行Inconel 718微铣削实验,通过X射线衍射法测量不同每齿进给量切削过程中工件进给和垂直进给两个方向上的残余应力.进给方向的表面残余应力实测值与仿真结果最大误差为21.1%,平均误差为8.9%;垂直进给方向的表面残余应力实测值与仿真结果最大误差为31.0%,平均误差为12.3%,验证了Inconel 718微铣削加工三维有限元仿真模型的准确性.