微铣削工艺参数优化及微铣削力建模研究

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航空航天、生物医学、电子、汽车等行业中目前广泛应用微切削加工技术制造精密的微型零部件。微铣削技术属于微切削加工技术中的一种,主要用于加工具有复杂微结构或曲面的微零件。在微铣削加工中,若工艺参数设置过小时,微米尺度的刀)具刃口圆弧半径(r0)易导致微铣削加工出现尺寸效应,微铣削力随每齿进给量(fz)减小而出现非线性变化,造成工件表面质量变差、毛刺数量增加,刀具磨损加剧。因此选择合适的工艺参数并避免过大的微铣削力,将有助于提高工件表面质量和加工效率、减少毛刺生成。本文主要研究内容如下:(1)工艺参数对加工表面质量的影响规律研究。首先,设计不同工艺参数(fz、轴向切削深度(ap)、主轴转速(n))的微铣削A17075-T6单因素试验,基于微铣削力非线性变化现象和微铣刀的刃口圆弧半径(r0),确定了微铣削加工过程最小切削厚度hmin范围为0.2r0-0.4r0。然后,以fz/r0值为定量分析基准,根据刃口尺寸效应的强弱划分了强尺寸效应区、过渡尺寸效应区和弱尺寸效应区,建立了反映加工表面质量变化情况的微铣削尺寸效应带。最后,在强尺寸效应区和弱尺寸效应区下,通过分析不同工艺参数对微槽顶端毛刺宽度、表面粗糙度和微铣削力的影响,证明了微铣削工艺参数优化主要目的是避免切削工艺参数处于强刃口尺寸效应区。(2)基于响应曲面法的微铣削工艺参数优化。为优化微铣削A17075-T6的四种工艺参数:fz、ap、n和刀具悬伸量(l),基于二阶响应曲面法设计了可旋转的中心复合微铣削直槽试验。采用最小二乘法,建立了微铣削响应预测模型,试验值和预测值拟合度良好。利用方差分析法对回归方程进行了显著性检验,研究工艺参数对微铣削力和顶端毛刺的影响规律。结果表明:在特定工艺参数范围内,ap和fz对微铣削力及顶端毛刺有显著的线性效应且影响依次减弱,而n和l无显著影响。根据最优响应值(最小微铣削力、最小顶端毛刺宽度)得到了微铣削工艺参数优化的组合:n为11394r/min,fz为5.8μm/z,ap为11.6木m,l为20.9mm。(3)考虑刀具径向跳动和滞后角的微铣削力建模。首先基于刀尖切削运动轨迹的分析,考虑刀具径向跳动和刀具滞后角,建立了新的微铣削瞬时切削厚度计算模型。然后考虑微铣削切削原理,基于常规三维铣削力模型和瞬时切削厚度模型,建立了微铣削力预测模型,结果表明该模型可信度高。以上结论为微铣削工艺参数选择提供理论依据,同时在改善加工表面质量方面也有重要的参考价值,有助于微铣削技术在工业化的快速应用。
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