微细铣削毕业论文开题报告格式资料doc

1、 中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名:刘拂晓学 号:0702014433学 院系:机械工程与自动化学院 机械工程系专 业:机械设计制造及其自动化论 文 题 目:微切削力模型及模拟仿真研究指导教师:武文革 教授 2011年 3 月 10 日毕 业 论 文 开 题 报 告1.结合毕业论文情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述:文 献 综 述一.什么是微切削加工技术微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式,而且不受材料的限制1,使CNC加工中心可实现2D215D 简单特征到复杂3D曲面零件的微加工 ,通过使用此法加工出的微小模具可达到批量生产的目的二.微切削的加工范

2、畴(1) 微切削指加工尺寸在1mm以下精度为0.010.001mm零件的切削加工(2) T.MasuzaWa定义微切削为切削厚度小于999um的切削过程2试验中他把切削厚度选择在1200um(3) 国际生产工程协会CIRP物理化学科学制造过程会议把加工尺度定义在1500um3(4) A. Simoneau认为微切削定义应从切削特点上真正反映微切削与宏观切削的分别,尺度效应的出现4(5) Subbiah.S认为微切削是以下三种情况下的微量材料去除过程:一是微小产品及部件的加工过程;二是制造大型工件上的微小复杂结构;三是在大型工件上制造精密的光滑表面因此微切削并不完全需要微小尺寸的刀具,用宏观切削

3、中的刀具也可以做到微切削5三.微切削影响因素(1) 尺寸效应与宏观切削不同,对于微细切削来讲,切削力与切削能量都会随着材料的去处量的减少而减少,中外很多者都对此进行了大量的实验验证,此外当微切削进给量减少到微米级别时, 切削力会出现急剧增大的现象, 此类现象归结为微纳尺度切削中的尺寸效应与常规尺度切削相比, 微细切削时, 刀具前刀面参与切削的面积减小, 刀刃附近区域将承担主要的材料去除工作, 此时刀具刃口半径对于切削变形和材料去除的影响不容忽视; Vogler与 K i m等人6-7通过实验验证了最小切削厚度对切削厚度堆积的影响,他们发现在微细加工中,当进给量小于切削厚度时, 刀具经过工件,

4、工件表面仅发生弹性变形, 而不是常规的切削, 随着切削进给量的增加,当刀具刀刃半径与切削进给量大小相当时刀具在工件表面产生耕切现象, 此时工件产生弹塑性变形;当进给量增大到远大于刀具刀刃半径时, 此时刀具在切削中可视为锋利(2) 切削速度很多学者都在微细切削实验中采用高速钢 硬质合金或者金刚石材料刀具对工件进行切削,硬质合金刀具硬度高, 切削力较小,但成本较高速钢高出很多,较前两者来说金刚石刀具切削最为锋利除去切削液消除积屑瘤对微细切削的影响, 这几种刀具在不同切削速度下反应出切削力的规律也是不一样的G. Bissacco等人8通过大量实验发现由于前刀面的切削区域的变形及摩擦在整个切削中所占的

5、比例较小,导致硬质合金刀具与高速钢刀具在切削时,切削速度对切削力影响并不明显; 同时由于两种材料的刀具刀刃半径较金刚石刀具大, 刃口圆弧部分对加工面所产生的挤压所占的比例较大, 从而使得切削速度对切削力的影响更小, 所以高速钢与硬质合金刀具用于微细切削时,切削速度对切削力的影响并不明显金刚石刀具刀刃半径较硬质合金和高速钢刀具小很多, S . S . Joshi等人9通过实验发现金刚石刀具随着切削速度的增加切削力下降, 且切削速度对于切削力的影响取决于最小切削厚度与刀具刀刃半径的比值(3) 主轴转速 微细加工中,主轴转速对于微切削的影响也是不可忽视的Ya zhou Sun , Qing xin

6、, Meng等人10通过大量实验,发现在微细切削中主轴转速对于切削力的影响是有一定规律的四.国外研究现状(1)铣削力模型W. Y . Bao和 I . N. Tansel11提出了考虑到刀具跳动情况下的微细铣切削力解析模型由于在每齿进给量与切削刃半径的比率很大时,与传统切削力模型12对切屑厚度所作的假设变化很大,因此他们在这个模型的基础上,改变切屑厚度的计算方法,即根据刀尖轨迹来估计切削厚度值,从而使得切削力模型更加精确其提出的切削力表达式用到8个参量如主轴转速进给量切入切出角等,和一个与刀具和工件有关的材料系数 ,该系数需要进行实验才能确定通过广泛实验得出预测切削力与实验测得切削力的平均误差

7、在10%左右G . Newby等人13考虑到切削刃轨迹对切屑厚度的影响 ,他们在 Bao 和Tansel11的基础上建立切削力经验模型 ,不同的是他们又进一步分解实验测得的切削力 Fx 和 Fy ,将从中提取出的切削系数代入表达式,该公式即被用来计算经验公式中主要切削系数 KtKr , c通过实验 , G . Newby等人又发现这样的规律:(1) 切削力Fx和Fy 随着切屑厚度的增大而增大,这是由于切削力Ft和Fr都与每齿进给量成比例(2) 与传统铣削相比,微细铣过程中系数Kt和Kr曲线的幅值两者相当,但后者的 Kt曲率要更大,且Kr曲线向下凹,而传统铣削系数Kr曲线向上凹(3) 与传统惯例

8、不同的是,微细铣过程中径向力对刀具磨损和破损的预测起着至关重要的作用G . B issacco等人14改进了统一力学切削方法15,建立了在微细铣削下的切削力模型该模型预测的切削力与测得的切削力大小基本保持一直此外 ,还发现由于刀具跳动引起的不平衡切削力可以在径向通过刀具挠度来补偿Michael P . Vogler等人16开发了在加工非均匀材料时不同阶段的微立铣过程的机理模型研究表明切削力信号中的用运动学无法解释的高频信号可以用材料的多向来解释(2) 微细铣刀及其涂层在微细铣削中 ,刀具是影响加工精度的重要参数 ,具体表现在以下几个方面: 刀具热变形造成的误差 刀具受力变形造成的误差 刀具表面

9、粗糙度刀具材料本身与工件间的亲和力造成的误差 刀具磨损引起的加工误差等为了提高刀具的寿命,早在 1997年 I . Tansel等人17就已经提出了采用智能工件夹持器来延长刀具寿命这个智能工件夹具可以监控切削力,当它预测到刀具有破损的可能时,减小金属去除率反馈信息是用一个压电驱动器朝进给相反方向做一个快速的移动,从而来减少进给率该系统用低碳钢和铝工件来测试基于实验结果,能预测到高达 50%的刀具破损案例,刀具的寿命能延长30%以上在对微细铣刀具涂层的方面 ,主要的研究内容是不同涂层材料对刀具磨损和加工表面粗糙度的作用Patrick J . Heaney等人18用了金刚石涂层刀具在对铝进行干式微

10、细铣削 ,发现金刚石涂层能极大地增强在微米级尺寸下切削刀具的性能对比实验结果显示涂层刀具磨损和破损更小 ,刀具上的铝粘附更少 ,而且切削力极大地降低涂层刀具的性能改良主要因为是细晶粒金刚石相比铝要有出众的摩擦学性能 ,尤其是低摩擦低黏附以及低磨损薄膜由于涂层允许加工时不添加润滑剂 ,且基本上消除了金属毛刺 ,这个方法能减少微切削过程中的环境影响 ,从而能在微观和中间尺度制造应用中极大地提高性能(3) 微铣削刀具状态监控考虑到微铣刀具的尺寸效应 ,佛罗里达国际大学的 I . Tansel等人19对微铣削中的刀具磨损作了新的定义:刀具材料的损失,刀具表面小颗粒工件材料的沉积或是刀具挠度形状的变化等

11、并且对刀具破损原因进行分类: 切屑的堵塞超过刀具所能忍受的应力值而在短时间内产生刀具破损 ,其中高速钢刀具比硬质合金刀具更能容忍切屑堵塞 磨损的结果导致的应力值超过正常水平,刀具转动时应力分布不断变化,在长时间的疲劳磨损后,刀具最终破损,软和脆材料如石墨电极是这种形式 当切削刃部分破坏或是工件材料小颗粒粘接在刀刃后 ,进给方向切削力持续增加直到刀具破损文献通过对进给向力静态部分的变化,在小波分析下建立了刀具状态监控模型在建立基于切削力的刀具状态模型时,由于微铣削产生的切削力一般都很小且包含机械振动产生的噪声,影响了模型的精确度而 AE声发射传感器相比更容易安装,且具有高灵敏度通常有两种形式来解

12、释 AE信号的产生其中一种解释是指在切削过程中剧烈变化的应变能产生弹性应力波,该波到达材料表面时被压电传感器捕获应变能产生的源头有多种形式,靠近切削刃部分的剪切带的塑性变形,刀齿前刀面和切屑的摩擦,齿根面与加工后工件表面之间的摩擦以及切屑破裂和缠结也会产生应变能等I . Tansel等人20又考虑到有效的 AE信号一般在 20 kHz以上 ,就需要解决数据量大的问题 ,采用两阶段采集处理首先设置采样频率高于一般机床结构振动频率 (01 kHz)的 40 kHz,得到模拟量信号;然后再低通过滤 ,AD转化为数字信号用于数学处理在检测刀具破损时 ,由于刀具在开始加工工件 ,增加切深以及离开工件表面

13、时 AE都有相应变化 ,建立了响应这些变化的水平来判断;在刀具磨损判别时 ,作者运用了神经网络 (ART2) ,但是没有就规则作具体的解释实验发现 ,刀具磨损的初期难以与新刀作区别 ,磨损后期到破损这一段信号变化明显 ,更易检测佛罗里达国际大学的学者 W. Y . Bao和 I . N.Tansel21在基于切削力模型的基础上提炼出新的表达式来估计刀具剩余寿命 ,用遗传规则得到模型参量 ,相比之前他们用 AE方法的一个优点是 ,不需要进行广泛的实验结合美国的空气力学研究实验室的专家 ,佛罗里达国际大学的专家在原先研究发现的基础上又开发了遗传刀具监控系统22他们总结出 ,传统的监控首先往往在不同

14、刀具状态下通过传感器获得的信号来设定刀具磨损水平 ,然后用神经网络等智能规则来计算评估但是要使得这些方法有效执行 ,则需要实际切削加工要素如主轴转速 进给量 切深等与测试状态下相近才行他们开发的基于切削力的模型对切削参数的改变更加具有鲁棒性 ,即使先前没有训练的信号也能正确评估刀具状态 ,不足之处就是计算时间的增大以及精度的降低 ,使得在线监控系统的运用受到了一些限制此外 ,在2008年,又有新加坡的学者开发出用隐形马尔可夫模型监控微铣削刀具状态的系统23正是由于马尔可夫模型的快速识别性的特点 ,使得其模型对噪声的鲁棒性较好 ,通过实验发现 ,对刀具状态的识别达到了较高的水平五.本课题研究的意

15、义随着航空航天现代医学等科技的发展和人们生活水平的提高, 对微小装置及零件的需求也日益迫切目前用于小型化的制造主要是微机电系统技术, 它是由半导体制造工艺发展而工艺方法, 但是存在加工材料单一仅能制作平面微机械零件等局限微细切削加工技术则很好地弥补了M EMS技术的不足, 它具有高效率高柔性能加工多种材料和任意复杂三维形状等的特点在现代制造技术领域中,微细加工技术占有极为重要的位置它不仅是制造高新技术产品的关键技术,而且也是取得国际竞争优势的重要技术之一它的开发与应用使微电子工业汽车工业航空航天生物医学工程计算机精密仪器光学移动通信医疗器械和工业自动化等行业发生了重大变革自20世纪末期以来,美

16、国日本德国英国等工业发达国家十分重视发展微细加工技术,纷纷投入了相当数量的财力和人力,确定发展战略,制订长远规划,设立专门的研究机构,使微细加工技术迅速发展,现已初步形成了具有特色的微细加工技术及微型产品制造业我国也投入了一定的力量进行了开发及研制,目前处于研发阶段因此,此课题的研究对于我国制造业,特别是微小零件加工制造方面有着不可替代的意义同时,对于自身而言,可以通过此次毕业设计提高自己综合运用所学知识的能力;提高自身综合运用所查资料的能力;提高自己自我研究问题的能力参考文献:1ChaeJ , ParkS and Freiheit T. Investigation of microcutti

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18、ts in microscale mesoscale and microscale cutting of steelC . Annals of the CIRP ,2006 5 Sathyan Subbiah. Some investigation of scaling effects in microcuttingR. Georgia Institute of technology,2006 6 Vogler M P , Devor R E, K apoor S G. M icrostructure level force prediction model for micromilling

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30、 (1) 分析微切削的特点,了解现有微切削加工的切削力模型因为微切削的切削用量在微米级,接近于材料的晶粒尺度,且不能忽略切削刃半径的影响,所以微切削的切削机理与宏观显著不同,表现在微切削过程中出现的尺度效脆塑转换 犁耕效应等现象,宏观中的切削力模型不适用于微观 应变梯度理论的发展为此问题提供了很好的解决方案 从位错密度出发,基于应变梯度理论建立了正交微切削力的预测模型在正交微切削中主切削力基本是大于进给力的;当在相同切削速度时,进给量越小时,主切削力和进给力的变化程度越大; 主切削力随进给量的增大而增大,而进给力随进给量的增大而减小 (2)学习应变梯度塑性理论,优化微切削力模型Fleek和Hu

31、tehinson及Fleek等在六十年代的高阶连续介质弹性理论的框架下发展了两种应变梯度塑性理论:只考虑旋转应变梯度的偶应力理论,和既考虑旋转梯度又考虑拉伸梯度的应变梯度塑性理论 Goa等人,提出了由Taylor位错模型出发的新的应变梯度理论,基于细观机制的应变梯度塑性理论 (3)建立模型力约束条件,利用Matlab软件有限元软件进行切削力仿真分析任何模型都有它一定的适用范围和使用前提模型的建立主要考虑到求解析结果的因素,对于任意曲面的工件,由于其复杂性,用解析方法是不可能的,因此工件加工表面要求较简单切削过程的有限单元法通过建立计算机模型来预报特定切削参数下工件的变形应力应变,以及刀具的受力

32、情况等二.采用的研究手段 (1)建立所要加工的零件模型,模型的建立尽量以简单并能充分体现微切削力特点的模型,可以建立微小圆柱体 (2)考虑应变梯度塑性理论建立合理的切削力模型,建立约束条件 (3)建立目标函数,优化下列目标:切削力最小零件表面粗糙度最小刀具损伤最小保证寿命尽可能最大零件整体质量最好(无裂纹无损伤) (4)利用Matlab软件有限元软件进行切削力仿真模拟分析,建立刀具及其零件的应力分布图,然后综合分析各影响因素对于切削力的影响程度 (5)重新建立目标函数,重复前三步,直至取得最优最合理的目标函数 毕 业 论 文 开 题 报 告指导教师意见: 指导教师: 年 月 日所在系审查意见:

33、 系主任: 年 月 日励志美文美句摘抄 1不要放弃自己就是真正的坚强,虚心就是坚强,努力就是坚强,从头再来就是坚强,正直就是坚强,学会坚强之前要学会如何爱惜自己 2人生,就没有,永远的悲痛;也没有,永远的欢欣能使我们坚强的,往往不是顺境,而是逆境;能让我们醒悟的,往往不是高兴,而是伤心学会忍受,懂得艰辛,于曲折中前进 3人都说比天空和大地更远的距离是人与人的距离,因为人心里都会藏匿太多的猜忌和戒备,想要快乐就甩开生命中这些过于沉重,却又不必要的行李吧,生命中有爱就足够了试着给周围你所熟识的还有你还陌生的人一个真诚无惕的微笑吧,它可以触摸到他人的心灵,微笑是有感染力有连带性的,它会无声的渗透进每

34、个易感的心灵,更会让更多的心灵为之感动,心中有爱就会快乐,就会让微笑发自心底,灿烂在脸上 4千万不要因为自己已经到了结婚年龄而草率结婚想结婚,就要找一个能和你心心相印相辅相携的伴侣不要因为放纵和游戏而恋爱,不要因为恋爱而影响工作和事业,更不要因一桩草率而失败的婚姻而使人生受阻感情用事往往会因小失大 5你要从现在开始,微笑着面对生活,不要抱怨生活给了你太多的磨难,不要抱怨生活中有太多的曲折,不要抱怨生活中存在的不公当你走过世间的繁华与喧嚣,阅尽世事,你会幡然明白:人生不会太圆满,再苦也要笑一笑! 6不要让灰色的乌云笼罩一辈子,生命中还有很多美好的不要让其遮盖,不要因为一片乌云毁了一切,人生中还有

35、很多可以去把握 7每一个成功者的背后都有一个心路的旅程,雨中漫步你不会比别人先一步看到彩虹 8面对人生的烦恼与挫折,最重要的是摆正自己的心态,积极面对一切再苦再累,也要保持微笑笑一笑,你的人生会更美好! 9命运,不过是失败者无聊的自慰,不过是懦怯者的解嘲人们的前途只能靠自己的意志自己的努力来决定 10你或许无法改变身高和体形,但是可以改变你的态度我们每个人都有力量去培养和保持为我所用的积极态度,提高我们的人生质量,完成我们的人生目标态度是人生理想的昭示,而非既有成果的反映改变你的态度,就可以改变你的人生 11不要像玻璃那样脆弱有的人眼睛总盯着自己,所以长不高看不远;总是喜欢怨天尤人,也使别人无比厌烦没有苦中苦,哪来甜中甜?不要像玻璃那样脆弱,而应像水晶