微尺度磨削加工工艺研究

论文摘要

微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境的特点,在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力,受到世界各国的高度重视。因此,如何加工具有微小尺寸特征的零件成为了近年来的热点研究课题。微机械加工技术适应于各种非硅材料,尤其是金属材料的高深宽比和三维复杂结构的加工,适合于微小模具,微型流体系统,以及微小驱动器的制备。在最近的几年里,微铣削的发展很快,尤其是在微小工具和模具的制造业上发达国家已经逐渐进入商业化的阶段。微铣削虽然已经进入商业化,但是其表面加工质量一直并不十分理想。传统的机械加工零件,其特征形状尺寸对于表面粗糙度的比值可以大于106数量级（特征形状尺寸大于lm,表面粗糙度小于10μm）,这足以满足零件的使用要求。而微机械加工零件的特征尺寸一般情况下小lmm,而其表面粗糙度一般在亚微米尺度（0.1μm～1μm）,二者之比小于103-104,微切削加工所得到微尺度表面质量相对较差。所以鉴于磨削加工的良好的效果,使用微磨削加工工艺,获得优良的表面质量是微尺度加工领域的一个重要的研究方向。所谓微磨削加工工艺是指使用直径小于1mm的微型磨棒,多为圆柱形,对材料直接进行去除加工,形成所需形貌或对其他加工工艺已经加工的表面进行光整加工达到工艺要求。本论文以微尺度磨削加工工艺和机理为研究对象,首先尝试运用传统磨削机理探讨微磨削加工机理,随后通过分析微尺度磨削切屑的形态及与工件的接触弧长等方面与传统磨削加工的不同进行了微尺度磨削加工机理的初步探讨,建立微尺度磨削加工的理论分析模型。然后运用适于非线性分析的ABAQUS/Explicit模块建立热力耦合模型,分析微尺度磨削温度场的分布规律,确定了切削温度最大值产生区域,总结在不同切深和切削速度下切削温度和切削力的变化规律。同时,得到在该有限元分析模型下的临界最小切屑厚度的数值,并将其与最小切屑厚度理论做对比分析。接下来基于本课题实验平台的加工参数,分析了微磨棒达到一定加工精度所需满足的基本结构尺寸,又用有限元分析的结论分析在考虑微磨棒弹性变形对加工精度的影响,由此得到磨削深度和微磨棒直径这两个参数变化对加工误差影响的变化规律。最后,通过实验测量在不同的磨削深度、切削速度下,切削力的变化范围、变化规律,并且根据实验结果与之前的有限元分析的结果进行比对分析。同时,基于实验结果得到的径向力随切深的变化规律,对实验当中的加工精度进行量化分析从而对加工参数与微磨棒尺寸的优化选择提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微尺度制造技术的研究进程
• 1.2.1 国外微尺度制造技术的发展
• 1.2.2 国内微尺度制造技术的发展
• 1.3 论文研究内容及各部分逻辑关系
• 第2章 微尺度磨削机理研究
• 2.1 运用传统磨削机理探讨微磨削加工机理
• 2.1.1 传统磨削切削路径与最大切削深度分析
• 2.1.2 运用传统磨削理论分析微磨削过程
• 2.2 微尺度磨削加工机理的初步探讨
• 2.2.1 微尺度磨削理论分析模型的建立
• 2.2.2 微尺度磨削的切削轨迹与切屑形态
• 2.2.3 微尺度磨削过程中磨粒的切削方式
• 2.2.4 微尺度磨削的顺磨与逆磨
• 2.3 本章小结
• 第3章 微尺度磨削热力耦合有限元分析
• 3.1 有限元法介绍
• 3.2 有限元分析模块的确立
• 3.2.1 有限元仿真软件ABAQUS介绍
• 3.2.2 有限元仿真软件ANSYS与ABAQUS比较
• 3.2.3 ABAQUS分析模块的选择
• 3.3 切削加工的有限元理论
• 3.3.1 45号钢材料的本构关系模型的选定
• 3.3.2 45号钢有限元失效准则的选定
• 3.4 ABAQUS热力耦合分析的基本原理
• 3.5 有限元分析的建模
• 3.5.1 切削模型的确定
• 3.5.2 工件与微磨粒的材料属性
• 3.6 切削热有限元模拟结果分析
• 3.6.1 固定切深的切削热有限元模拟结果分析
• 3.6.2 切深变化时的切削热有限元模拟结果分析
• 3.7 切削力有限元模拟结果分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 微磨棒弹性变形下的加工精度
• 4.1 微磨棒的基本尺寸要求
• 4.2 微磨棒弹性变形下单颗磨粒的切削轨迹与加工精度分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 微磨削实验方案与结果分析
• 5.1 实验设备
• 5.2 实验材料及工件的制备
• 5.3 实验方案设计
• 5.3.1 不同切深下微磨削切削力测量实验
• 5.3.2 不同切削速度下微磨削切向力测量实验
• 5.4 实验结果分析
• 5.4.1 不同切深下微磨削切削力实验结果分析
• 5.4.2 不同切削速度下微磨削切向力实验结果分析
• 5.5 实验结果与有限元仿真结果对比分析
• 5.6 基于实验结果分析微磨棒弹性变形下的切削轨迹与加工精度
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢