基于材料微细结构微细铣削加工机理的研究

论文摘要

随着全球经济的高速发展,许多行业对高精密微型零部件的需求量大幅度增加,这些行业主要包括：航空航天、生物医学、微电子、环境、通信和汽车等。零部件的微型化发展使得微系统能够提高人类的卫生保健水平、生活质量并且促进经济的高速发展,微加工技术的发展使得人们能够在计算机芯片和形状记忆合金‘血管支架’上加工出微型通道,在燃料电池上加工出流体碳纤维通道,能够制造出微型传动装置、传感器、医疗设备等。因此,许多科研人员注意到机械零部件的微型化发展是促进众多领域未来科技进步的重要条件。与传统机械零部件相比较而言微型零部件的功耗更低,热传导率更高,因为其表面体积比非常大。为了制造这些微型零部件,我们使用机械加工的方法能够很好的去除工件材料,从而制造出复杂的三维结构,并且这种方法适合于各种各样的工程材料。科研人员对微细铣削加工机理的研究起源于将宏观铣削中的理论运用到微观领域中去,但是通过上述方法来研究微细铣削的加工机理面临一定的局限性和挑战,并且通过简单的比例放缩这种方法并不能对微细铣削中的许多现象进行建模分析。因此,我们有必要对微细铣削的加工机理进行深入研究。微细铣削加工机理的研究大致包括如下内容：最小切削厚度、切屑形态、微铣削力、铣削温度、工件材料的微量加工性、刀具变形、表面粗糙度与铣削稳定性、毛刺、积屑瘤、刀具磨损以及有限元或者分子动力学模拟仿真等。全世界有许多科研工作者对上述领域进行了研究并取得了一定的成果,但是仍然没有搭建起微细铣削领域的理论框架,本文作者以钢铁材料40Cr为研究对象,通过有限元模拟仿真形象地再现铣削工艺中切屑的形成过程、工件表面残余应力和温度场的分布状况等。有限元模拟结果能够为后续实验方案的设计与研究提供依据,而本文最终通过理论推导来揭示微细铣削工艺中最小切削厚度效应、表面质量、微铣削力等相关机理,使人们对微细铣削的加工机理有一个深入的理解。文章第一段阐述了国内外微型机械的发展现状,从而自然而然的总结了微细切削加工技术和机理的研究状况,作者结合实验室和本人的实际情况提出相应的研究思路,并给出了论文的研究意义、方法、主要内容和总体框架。第二章基于相关的金属微细铣削原理和切削仿真现状,建立铣削的2D热～力耦合有限元模型。另外,该章详细讲解了有限元建模过程和软件的设置细节,根据相关的动力学和材料本构模型参数,成功地模拟出正交切削过程中切屑形成过程。第三章通过金相实验来获得40Cr这种低碳合金钢的微细结构及其特征尺寸,依据前面有限元仿真结果和本文的研究内容进行微细铣削实验方案的设计与研究,并提前预测出实验中将可能出现的现象,最终获得相关实验数据,为后续微细铣削加工机理的深入研究奠定基础。第四章主要基于上述实验数据,重点分析微细铣削过程中最小切削厚度效应、表面质量、微铣削力等相关机理,从理论角度剖析微细铣削过程中的相关现象。第五章对全文进行概括总结,结合文中现有的研究状况,对进一步需要研究的内容进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型机械国内外发展历史状况
• 1.2.1 微型机械国外发展历史状况
• 1.2.2 微型机械国内发展历史状况
• 1.3 微细切削加工机理研究现状
• 1.3.1 最小切削厚度效应
• 1.3.2 切屑形成机理
• 1.3.3 表面质量
• 1.3.4 微切削力
• 1.4 论文研究的来源、意义、主要内容和总体框架
• 1.4.1 论文研究的来源和意义
• 1.4.2 论文研究的主要内容
• 1.4.3 论文研究的总体框架
• 第2章 微细铣削有限元模拟关键技术和理论
• 2.1 引言
• 2.2 微细切削加工有限元模拟技术的国内外研究现状
• 2.2.1 传统切削加工有限元模拟技术的国内外研究现状
• 2.2.2 微细切削加工有限元模拟技术的研究现状
• 2.2.3 基于微细铣削加工有限元模拟方案的研究
• 2.3 ABAQUS热应力分析和瞬态动力学分析的基本原理
• 2.3.1 ABAQUS热应力分析的基本原理
• 2.3.2 ABAQUS瞬态动力学分析的基本原理
• 2.4 微细铣削加工有限元模拟的关键技术
• 2.4.1 40Cr材料的本构模型
• 2.4.2 40Cr材料的切屑分离准则
• 2.4.3 40Cr材料的机械性能
• 2.4.4 摩擦模型
• 2.4.5 自适应网格技术（ALE）
• 2.4.6 质量放大（Mass scaling）技术
• 2.4.7 计算成本的估计和断点续算技术
• 2.5 铣削模型的确定
• 2.6 有限元模拟结果分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于40Cr微细结构微细铣削加工实验方案的设计与研究
• 3.1 引言
• 3.2 40Cr微观组织结构探究
• 3.2.1 40Cr材料简介
• 3.2.2 40Cr金相样品的制备
• 3.2.3 40Cr微观组织结构特征的确定
• 3.3 微细铣削加工实验方案的设计与研究
• 3.3.1 实验设备简介
• 3.3.2 实验方案的设计与研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 微细铣削加工机理的探讨与研究
• 4.1 引言
• 4.2 微细切削和传统切削模型的对比研究
• 4.3 大负前角切削效应的有限元模拟
• 4.4 最小切削厚度效应研究
• 4.4.1 最小切削厚度的几何模型
• 4.4.2 悬臂梁的弹性进给模型
• 4.5 表面质量的研究
• 4.5.1 参数分析
• 4.5.2 40Cr微细结构对于表面质量的影响
• 4.6 微铣削力的研究
• 4.6.1 参数分析
• 4.6.2 频谱分析
• 4.6.3 40Cr微细结构对于微铣削力的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢