（机械制造及其自动化专业论文）基于最小切除厚度的微切削加工机理研究.pdf

摘要 摘要 随着航空航天、国防、现代医学以及生物工程技术的发展，对微小装置的结 构复杂程度、功能、可靠性的要求越来越高，从而使得对加工特征尺寸在微米级 到毫米级、采用多种材料、且具有一定形状精度和表面质量要求的精密三维微小 零件的需求日益迫切。由于微细切削加工过程可以达到高度自动化，且可实现多 种材料复杂三维形状微型零件的加工，因而现已成为微米和中间尺度机械制造领 域的一项重要新兴技术。 微细切削时，由于工件形状较小，加工特征尺寸也较小，所采用的刀具尺寸较 小，最小加工单位( 每次从工件上去除的材料体积或尺寸) 就必须很小，吃刀量甚至 可能小于材料晶粒直径，使得切削在工件材料晶粒内进行，这时的切削相当于对一 个个不连续体进行切削。此时，普通切削加工中被忽略的刀具几何形状对切削加 工过程的影响在微切削加工中就必须认真考虑。因此，最小切除厚度及其对微切 削加工表面完整性、切屑形态的影响机理，是目前微细切削加工研究中的关键科 学问题。， 由于微切削加工过程包含两种机制一一犁切和切屑移除，使得加工过程中存 在最小切除厚度。不同切削工艺过程中，最小切除厚度对应不同的临界参数值。 通过给出基于切削工艺过程的最小切除厚度定义，综合考虑刀具几何形状及工件 材料性能的影响，建立微切削加工最小切除厚度的理论预报模型，利用有限元仿 真及切削试验过程中产生的a e 信号来确定微切削o f h cc o p p e r ，a l7 0 5 0 ，t i 6 舢- 4 v 及i n e o n e l7 1 8 四种工件材料对应的最小切除厚度值。结果表明：微切削 加工中的最小切除厚度值与加工工艺、刀具几何形状及工件材料机械热物理性能 参数有关。 利用数学解析及坐标平移、转换等方法，表述车削刀具及微铣削刀具参与切 削时的实际几何形状，用以分析刀具几何形状对最小切除厚度的影响机理。结果 表明：对于车削刀具，圆柱后刀面控制和圆锥后刀面控制刀具，s 形刀具参与切 削的实际几何形状为球体；对于非s 形刀具，圆柱后刀面控制刀具参与切削的实 际几何形状为椭球体，而圆锥后刀面控制刀具参与切削的实际几何形状为抛物球 体。微铣削刀具中，微细铣刀参与切削的实际几何形状均为球体，其中球体半径 山东大学博士学位论文 与刀具齿数、螺旋角等有关。利用d e f o r m 有限元仿真及切削试验分析刀具几何 形状对切削加工中切削力及最小切除厚度的影响，对所建立的刀具参与切削实际 几何形状理论模型进行验证，为分析刀具几何形状对最小切除厚度的影响机理提 供理论基础和试验依据。 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、加工硬化程度及微观组织等。切削参数、刀具几何形状及工 件材料性能等都是影响切削加工表面完整性的主要因素。利用四种几何形状的微 细铣刀对o f h cc o p p e r 、a 17 0 5 0 、t i 6 a i 4 v 及i n c o n e l7 1 8 四种工件材料在不同每 齿进给量下，进行微细铣削试验，得到不同加工条件下的己加工表面。试验结果 表明：微铣削加工中，存在最优的进给量，使已加工表面的粗糙度值最小，在每 齿进给量接近最小切除厚度时，获得最小的表面粗糙度值；当刀具参与切削实际 几何形状球体半径较小时，加工获得的槽底表面几何形貌纹理分布较为均匀，而 当实际几何形状球体半径较大时，槽底中间部分纹理分布均匀，槽底边缘部分差 异较大。在综合考虑刀具几何形状、工件材料性能及最小切除厚度影响的基础上 建立微细铣削表面粗糙度预测模型。为微铣削加工参数的选择及刀具、工件的合 理选择提供理论支持。 在微切削试验基础上研究微铣削加工刀具几何形状及切削参数对切削加工切 屑形成及切屑形态的影响。根据切削加工中最小切除厚度及切屑形成的几何模 型，建立微铣削加工切屑卷曲半径理论预测模型，并利用有限元仿真及切削试验 结果对预测模型进行验证，为微铣削加工过程中切屑形态控制提供理论依据。 关键词：微切削；最小切除厚度；刀具几何形状；表面粗糙度；切屑形态 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ti nf i e l d so fa e r o s p a c e ，n a t i o n a ld e f e n s ei n d u s t r y , m o d e r n m e d i c i n ea n db i o l o g i c a le n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , t h ed e m a n d so ft i n yd e v i c ef u n c t i o n ， t h ec o m p l e x i t yo ft h es t r u c t u r ea n dt h er e l i a b i l i t yh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y t h e r e q u i r e m e n t so fp r e c i s i o n3 dm i c r op a r t sw i t hf e a t u r e s i z ei nm i c r o m e t e rl e v e l t o m i l l i m e t e rl e v e l ，u s i n gav a r i e t yo fm a t e r i a l s ，ac e r t a i ns h a p ep r e c i s i o na n ds u r f a c e q u a l i t yh a v ei n c r e a s e du r g e n t l y a st h em i c r o m a c h i n i n gp r o c e s sc a i la c h i e v eah i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n , f i tt oav a r i e t yo fm a t e r i a l s ，3 da r b i t r a r i l ys h a p e dp a r t s ，i th a s b e c o m et ob eo fan e w t e c h n o l o g yi nm i c r o s c a l em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g ，i nm i c r o m a c h i n i n g ，b e c a u s et h ec u t t i n gp a r a m e t e r sa r ei nt h es a m eo r d e ro fc u t t i n g t o o le d g er a d i u s ，t h ep r o c e s s i n gu n i ti ss m a l le n o u g hw h i c hi nt u r nm a k e st h ec u t t i n g p r o c e s sh a p p e n e dw i t h i ni n s i d e o fm a t e r i a lg r a i n h e n c e ，t h ec u t t i n gp r o c e s si s e q u i v a l e n tt oad i s c o n t i n u o u so n e t h ee f f e c to fc u t t i n gt o o lm i c r og e o m e t r y , w h i c hi s i g n o r e di nt r a d i t i o n a lc u t t i n gp r o c e s s ，h a st ob ec o n s i d e r e ds e r i o u s l yi nm i c r o m a c h i n i n g i nm i c r o m a c h i n i n gr e s e a r c h ，t h em i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s sa n di t s i m p a c to n s u r f a c ei n t e g r i t ya n dc h i pm o r p h o l o g y , a sw e l la st h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni n m i c r o m a c h i n i n g ，a r et h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fm i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s s ，t h em i c r o m a c h i n i n g p r o c e s sc o n s i s t so ft w om e c h a n i s m s ：p l o w i n ga n dc h i pr e m o v e i nd i f f e r e n tc u t t i n g p r o c e s s ，t h em i n i l n u mu n c u tc h i pt h i c k n e s sc o r r e s p o n d st od i f f e r e n tp a r a m e t e r s c r i t i c a l v a l u e b yg i v i n gd e f i n i t i o no fm i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s si nd i f f e r e n tc u t t i n gp r o c e s s ， c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fc u t t i n gt o o lg e o m e t r ya n dw o r k p i e c ep r o p e r t i e s ，a na n a l y t i c a l m o d e lf o rp r e d i c t i n gt h em i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s si sb u i l t t h r o u g hf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n , a n a l y t i c a lm o d e la n dt h ea es i g n a l sp r o d u c e di nm i c r om i l l i n gp r o c e s s ，t h e m i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s sf o ro f h cc o p p e r , a 17 0 5 0 ，t i 一6 a 1 - 4 va n di n c o n e l718 a r ed e c i d e d r e s u l t ss h o wt h a tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , c u t t i n gt o o lg e o m e t r y , w o r k p i e c e m e c h a n i c a la n dt h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e si n f l u e n c et h em i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s s t o g e t h e r b yu s i n gm a t h e m a t i c a la n a l y s i s a n dc o o r d i n a t et r a n s l a t i o n , t r a n s f o r m a t i o n , e t c m e t h o d s ，t h ea c l z l a lg e o m e t r yo fc u t t i n gt o o li n v o l v e di n t ow o r k p i e c ef o rt u r n i n gi n s e r t s a n dm i l l i n gi n s e r t sc a l lb eg e t r e s u l t ss h o wt h a tf o rt u r n i n gi n s e r t s ，s - s h a p e di n s e r t s i b b o t hw i t hc y l i n d r i c a lc o n t r o la n dw i t hc o n i c a lc o n t r o li n v o l v e di nm a c h i n i n gi s s p h e r e n o n s - s h a p e di n s e r t sw i t hc y l i n d r i c a lc o n t r o li n v o l v e di nm a c h i n i n gi se l l i p s o i d n o n s - s h a p e di n s e r t sw i 廿1c o n i c a lc o n t r o li n v o l v e di nm a c h i n i n gi sp a r a b o l o i d f o rm i c r o m i l l i n gi n s e r t s ，t h ea c t u a lg e o m e t r yo ft h ef o u rd i f f e r e n tm i l l i n gi n s e t si n v o l v e di n m a c h i n i n gi ss p h e r ew i t hd i f f e r e n ts p h e r er a d i u s b yu s i n gd e f o r ms i m u l a t i o n s o f t w a r ea n dc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，t h ec u t t i n gt o o lg e o m e t r ye f f e c to nc u t t i n gf o r c ea n d m i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s sa r ea n a l y s e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sr e s u l t sc a n b eu s e da st h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lb a s i s f o ra n a l y z i n gt h et o o lg e o m e t r yo n r e s e a r c ho fm e c h a n i s mo fm i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s s s u r f a c ei n t e g r i t yi st h es u r f a c et e x t u r eo rs u r f a c es t a t ef o rp a r t sa f t e rp r o c e s s i n go r t r e a t m e n t t h ee v a l u a t i o ni n d e xi n c l u d e s u r f a c er o u g h n e s s ，w o r k p i e c eh a r d e na n d m i c r o s t r u c t u r e ，e t c w o r k p i e c em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，c u t t i n gt o o lg e o m e t r ya n dc u t t i n g p a r a m e t e r sa r e t h ep r i m a r yr e a s o n so fa f f e c t i n gs u r f a c ei n t e g r i t y m i c r o - m i l l i n g e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e db yu s i n gf o u rd i f f e r e n tm i c r o - m i l l i n gi n s e r t s t h ew o r k p i e c e a r eo f h cc o p p e r ，a 17 0 5 0 ，t i 一6 a i - 4 va n di n c o n e l718 t h em a c h i n e ds u r f a c e si n d i f f e r e n tc u t t i n gc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e di nt e r m so fs u r f a c er o u g h n e s sa n dg e o m e t r i c m o r p h o l o g y r e s u l t ss h o wt h a ti nm i c r o m a c h i n i n g ，t h e r ee x i s tac r i t i c a lv a l u eo ff e c d r a t e - p e r - t o o t hm a k e st h es u r f a c er o u g h n e s sl o w e s t t h ec r i t i c a lv a l u ei sc l o s et ot h e m i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s s w h e nt h es p h e r er a d i u so ft h ec u t t i n gt o o li n v o l v e di n t o w o r k p i e c ei ss m a l l e r , t h eg e o m e t r i cm o r p h o l o g yt e x t u r eo ft h em a c h i n e ds u r f a c e d i s t r i b u t e du n i f o r m l y ；w h e nt h e s p h e r e r a d i u so ft h e c u t t i n gt o o li n v o l v e di n t o w o r k p i e c ei sl a r g e r ，t h eg e o m e t r i cm o r p h o l o g yt e x t u r eo ft h em a c h i n e ds u r f a c ep r e s e n t s 1 1 i g hd e n s i t yi nm i d d l ep a r ta n dl o wd e n s i t yi ne d g ep o r t i o n c o n s i d e r i n gc u t t i n gt o o l g e o m e t r ya n dw o r k p i e c em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，at h e o r e t i c a lm o d e lf o rp r e d i c t i n gs u r f a c e r o u g h n e s si sp r o p o s e d i tc a nb eu s e df o rr e a s o n a b l es e l e c t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r sa n d c u t t i n gt o o l s u n d e r s t a n d i n go fc h i pf o r m a t i o nm e c h a n i s mi st h ef o u n d a t i o no fc h i pm o r p h o l o g y c o n t r o li nm i c r o m a c h i n g o nt h eb a s eo fm i c r o m a c h i n i n ge x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c t so f c u t t i n gt o o lg e o m e t r ya n dc u t t i n gp a r a m e t e r so nc h i pf o r m a t i o na n dc h i pm o r p h o l o g y a r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h em i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s sa n dg e o m e t r i cm o d e lo f c h i pf o r m a t i o n , a na n a l y t i c a lm o d e lf o rp r e d i c t i n gc h i pc u r v er a d i u si sd e v e l o p e d b y u s i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sr e s u l t s ，t h ep r e d i c t i o nm o d e li sv e r i f i e d i v a b s t r a c t t h ep r e d i c t i o nm o d e lc a l lb eu s e df o r t o o ll i f e p r e d i c t i o na n dm i l l i n gp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o c u t t i n g ；m i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s s ；c u t t i n gt o o lg e o m e t r y ； s u r f a c er o u g h n e s s ；c h i pm o r p h o l o g y v 山东大学博士学位论文 勋6 i co fc o n t e n t s t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) 】 i t e r m i n o l o g y v i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1c o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o - c u t t i n g 1 1 2b a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h 2 1 3s t a t e - o f - t h e a r to fm i c r o c u r i n g 3 1 3 1m i c r o - c u r i n gm a c h i n e 3 1 3 2m i c r o - c u t t i n gt o o l s 4 1 3 3s t a t e - o f - t h e - a r to fm i c r o - c u r i n gm e c h a n i s m 5 1 4p r o b l e ms t a t e m e n t 17 1 5r e s e a r c ho b j e c t i v e 18 1 6c o n t e n t sa n do u t l i n eo f t h ed i s s e r t a t i o n 18 1 6 1m a i nc o n t e n t so f t h es u b j e c t 18 1 6 2s t r u c t u r eo f t h ed i s s e r t a t i o n 1 9 c h a p t e r 2m i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s si nm i c r o m a c h i n i n g 21 2 1d e f i n i t i o no fm i n i m u mu n c u tc h i pt h i c k n e s s ( m u c t ) 21 2 2f e ms i m u l a t i o no fw o r k p i e c em a t e r i a le f f e c to nm u c t 2 3 2 2 1f e ms i m u l a t i o no fo r t h o g o n a lc u t t i n g 2 4 2 2 2f e ms i m u l a t i o nr e s u l t s 2 6 2 3p r e d i c t i o nm o d e lf o rm u c t 3 0 2 3 1w o r k p i e c em a t e r i a le f f e c to nm u c t 3 1 2 3 。2p r e x i i t i o nm o d e lf o rm u c t 3 2 2 4m i c r o m i l l i n ge x p e r i m e n t so fd e t e r m i n a t i o nf o rm u c t 3 5 2 4 1a c q u i s i t i o no f a es i g n a l s 3 6 2 4 2e x p r e m e n t sp r o c e s s 3 7 2 4 3a n a l y s i so fe x p e r i m e n t sr e s u l t s 3 8 2 4 4d e t e r m i n a t i o no fm u c tf o rd i f f e r e n tw o r k p i e c em a t e r i a l s 4 3 2 5c o m p a r i s o nm u c tf r o mt h r e em e t h o d s 4 3 2 6s u m m a r y 4 4 c h a p t e r3m i c r o e u r i n g t o o lg e o m e t r ye f f e c to nm u c t ：4 7 3 1c l a s s i f i t c a i o nf o rc u r i n gt o o li nm i c r o m a c h i n i n g 4 7 3 1 1c l a s s i f i c a t i o no f t u r n i n gi n s e r t s 4 7 3 1 2c l a s s i f i c a t i o no fm i c r o m i l l i n gi n s e r t s 4 8 3 2a c t u a lg e o m e t r yo f t u r n i n gi n s e r t si n v o l v e di n t oc u r i n gp r o c e s s 4 9 v 山东大学博士学位论文 3 2 it h r e e - d i m e n s i o ng e o m e t r i c a lm o d e l i n go fm i c r ot u r n i n gi n s e r t s 4 9 3 2 2c o o r d i n a t e st r a n s l a t i o na n dc o n v e r s i o n 5 3 3 2 3m i c r ot u r n i n gi n s e r t sg e o m e t r ym o d e l 5 5 3 2 4m i c r ot u r n i n gi n s e r t sg e o m e t r yv i s u a l i z a t i o n 5 9 3 33 df e ms i m u l a t i o no f c u t t i n gt o o lg e o m e t r ye f f e c to nc u t t i n gf o r c e 6 1 3 3 1i n i t i a l l i z a t i o nm e s ha n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 61 3 3 2m a t e r i a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n 6 2 3 3 3c r i t e r i o nf o rc h i p w o r k p i e c es e p a r a t i o na n df r a c t u r e 6 2 3 3 4f r i c t i o nm o d e la n dh e a tc o n d u c t i o n 6 2 3 3 5a n a l y s i so f f e ms i m u l a t i o nr e s u l t s 6 3 3 4a c t u a lg e o m e t r yo f m i c r om i l l i n gi n s e r t si n v o l v e di n t oc u t t i n gp r o c e s s 6 4 3 5m i c r om i l l i n ge x p e r i m e n t so fc u t t i n gt o o lg e o m e t r ye f f e c to nc u t t i n gf o r c e 6 8 3 6c u t t i n gt o o lg e o m e t r ye f f e c to nm u c t 7 0 3 6 1f e ms i m u l a t i o no f d i f f e r e n tc u t t i n gt o o lg e o m e t r ye f f e c to nm u c t 。7 1 3 6 2c u t t i n gt o o lg e o m e t r ye f f e c to nm u c t 7 2 3 7s u m m a r y 7 4 c h a p t e r 4r e s e a r c ho f m u c te f f e c to ns u r f a c ei n t e g r i t y 7 7 4 1i n t r o d u c t i o n 7 7 4 2e x p e r i m e n to fs u r f a c er o u g l i n e s sf o rm i c r om i l l i n g 7 7 4 2 1e x p e r i m e n td e s i g n 7 7 4 2 2m i c r o - s t r u c t u r eo fw o r k p i e c e 7 9 4 2 3c u t t i n gi n s e r t so f m i c r om i l l i n g 8 0 4 3a n a l y s i so f e x p e r i m e n tr e s u l t s 8 0 4 3 ic u r i n gp a r a m e t e r se f f e c to ns u r f a c er o u g h n e s s 8 1 4 3 2w o r k p i e c em a t e r i a lp r o p e r t i e se f f e c to ns u r f a c er o u g h n e s s 8 2 4 3 3a n a l y s i so f s u r f a c em o r p h o l o g y 8 4 4 4p r e d i c t i o nm o d e lf o rm i c r o c u t t i n gs u r f a c er o u g h n e s s 8 7 4 4 1m u c te f f e c to ns u r f a c er o u g h n e s s 8 7 4 4 2s u r f a c er o u g h n e s sr e g r e s s i o nm o d e lf o r a l7 0 5 0 9 0 4 5s u m m a r y 9 2 c h a p t e r5m u c t e f f e c to nc h i pm o r p h o l o g y 9 3 5 ic h i pf o r m a t i o nm e c h a n i s mi nm i c r o c u t t i n g 9 3 5 1 1c h i pf o r m a t i o nm e c h a n i s mi nm a c r o c u t t i n g 9 3 5 1 2c h i pf o r m a t i o nm e c h a n i s mi nm i c r o c u t t i n g 9 4 5 2a n a l y s i so fc h i pm o r p h o l o g yi nm i c r o m i l l i n g 9 4 5 2 1m i c r o m i i l i n ge x p e r i m e n t s 9 4 5 3 2r e s u l t so f m i c r o m i l l i n ge x p e d m e n t s 9 5 v i 乃6 l eo f c o n t e n t s 5 3p r e d i c t i 0 1 1m o d e lf o rc h i pc u r v er a d i u s 10l 5 4f e ms i m u l a t i o no fc h i pc u r v er a d i u s 10 4 5 4 1c u t t i n gt o o la n dw o r k p i e c eu s e di nf e ms i m u l a t i o n 10 5 5 4 2p r o c e s so f f e ms i m u l a t i o n 1 0 5 5 4 3r e s u l t sa n a l y s i so f f e ms i m u l a t i o