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微细车铣切削力建模及切削试验研究

作　者: 方瑞
导　师: 金成哲
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微细车铣切削力模型正交试验表面粗糙度
分类号: TG506
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微细车铣切削加工技术能够满足三维精密微小型零件形状和材料多样性的要求。因此，微细车铣切削加工作为21世纪先进制造技术领域的前沿，被认为是最具柔性的加工技术之一，具有广阔的应用前景。由于微细车铣加工中采用直径更小的微型铣刀而刀具刚度也随之降低，为了延长刀具的使用寿命，一般采用每齿几微米或更小的进给。而随着刀具的尺寸的减少，常规车铣中未被考虑的刀具切削刃钝圆半径此时必须被考虑。微小型铣刀的切削刃钝圆的半径通常在几个微米量级，由此导致在微细车铣中的每齿进给量等于甚至会小于刀具切削刃钝圆半径。刀具与工件之间会产生挤压、摩擦和耕犁，从而产生剧烈的弹塑性变形。本文将基于车铣原理和技术，结合微细切削加工技术的特点，在金属切削理论和弹塑性变形理论的基础上，建立了微细正交车铣切削力的理论解析模型。在该模型中考虑了刀具的后刀面与工件的已加工表面之间耕犁力对铣削力的影响，以及刀具前刀面在切削过程中的受力情况。首先，通过分析研究微细正交车铣铣削力的特点，得出已有的常规车铣铣削力模型不能直接的应用于微细车铣的原因；同时还分析了微型铣刀的切削刃钝圆、最小切削厚度、后刀面的工件材料的弹性恢复量对于微细车铣铣削力的影响，为建立更精确的微细正交车铣切削力奠定基础。其次，建立微细正交车铣的微单元正交切削模型，分析金属切削层的弹塑性的变形、刀具在切削过程中的受力情况；然后确定了刀具-工件剪切区和刀具-已加工表面正应力和剪应力。根据正交切削的理论，建立了微单元刃的局部切削力的模型，进而积分求得整体的切削力。最后，采用了多因素正交试验方法，在比较少的实验次数下进行了微细正交车铣加工硬铝合金微细轴的切削加工实验。通过正交表来安排实验并得出实验数据，并对实验数据进行极差分析、方差分析，确定影响加工表面粗糙度的各因素的主次关系以及最优化组合。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-22
  1.1 课题研究的背景和意义  12-14
    1.1.1 课题研究的背景  12-13
    1.1.2 本课题研究的意义  13-14
  1.2 微细车铣技术的国内外研究现状  14-17
    1.2.1 国外研究现状  14-15
    1.2.2 国内研究现状  15-17
  1.3 微细车铣加工技术  17-20
    1.3.1 微细车铣加工理论  17-19
    1.3.2 微细车铣技术的主要优势  19-20
  1.4 课题的主要研究内容  20-21
  1.5 本章小结  21-22
第2章微细车铣切削力建模理论的研究  22-39
  2.1 单一剪切平面力学切削模型的力学分析  22-24
  2.2 常规车铣切削力影响因素的分析  24-26
    2.2.1 切削用量的影响  24-25
    2.2.2 刀具几何参数、刀具材料和切削液的影响  25-26
    2.2.3 工件材料性能的影响  26
  2.3 微细车铣加工的切削机理分析  26-34
    2.3.1 微细车铣中的尺寸效应  27-28
    2.3.2 切削刃钝圆半径的影响  28-29
    2.3.3 最小切削厚度的影响  29-32
    2.3.4 弹性恢复及后刀面-工件摩擦的影响  32-33
    2.3.5 金属材料的动态力学性能的研究  33-34
  2.4 切削力建模方法  34-38
    2.4.1 解析法切削力预报模型  35
    2.4.2 有限元法切削力预报  35-36
    2.4.3 神经网络模型  36-37
    2.4.4 模糊灰色理论  37-38
  2.5 本章总结  38-39
第3章微细车铣切削力解析模型的建立  39-60
  3.1 建立平头螺旋铣刀瞬时切削力模型  40-44
    3.1.1 模型建立的假设条件  40-41
    3.1.2 微细车铣切削力模型坐标系的建立  41-43
    3.1.3 螺旋铣刀的局部铣削力模型的建立  43-44
  3.2 微单元铣削力模型中参数的确定  44-52
    3.2.1 剪切面上的压应力和剪应力的确定  44-46
    3.2.2 剪切角的确定  46-48
    3.2.3 微细车铣微刃单元切削深度和瞬时未变形切削厚度的确定  48-52
  3.3 微细正交车铣的切入角、切出角的求解  52-54
  3.4 微细正交车铣积分上、下限的求解  54-56
  3.5 微细正交车铣整体铣削力的积分求解  56-58
  3.6 本章小结  58-60
第4章微细正交车铣切削试验的研究  60-79
  4.1 微细正交车铣试验条件  60-62
    4.1.1 试验的设备  60-61
    4.1.2 其它试验用的设备及材料  61-62
  4.2 微细车铣加工的多因素正交试验  62-69
    4.2.1 正交试验理论  62-65
    4.2.2 微细正交车铣正交试验方案的设计  65-66
    4.2.3 微细正交车铣正交试验结果及初步分析  66-67
    4.2.4 已加工表面三维形貌的分析  67-69
  4.3 多因素正交试验的极差分析  69-71
  4.4 多因素正交试验结果的方差分析  71-74
    4.4.1 偏方差平方和的计算  72
    4.4.2 自由度的计算  72-73
    4.4.3 均方差及 F 比的计算  73
    4.4.4 显著性检验  73-74
  4.5 多元线性回归数学模型  74-76
  4.6 参数的最小二乘估计  76-77
  4.7 本章小结  77-79
结论  79-81
参考文献  81-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86-87

微细车铣切削力建模及切削试验研究

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