微尺度到中尺度,即微小型化的产品具有流动性好、功能卓越、易以较低能耗制造等优点。由于其独特的特点,当今对于微小型化产品的需求急剧增加。在微小型化零件的加工方式中,微铣削尤其突出。微铣削加工方式便宜且重要,受到广泛的应用,包括航空航天组件、能源设备、汽车、医疗等许多工业。然而,在微铣削过程中,制造上述的精密产品充满挑战。导致难以达到精密要求的因素有工件偏差、刀具跳动、早期刀具断裂、尺寸效应和快速刀具磨损。除此之外,由于微小型化产品需要更小的尺寸公差和更好的表面质量。这些都使之具有很大的挑战性。为了获得精密的微小型化产品,需要对加工过程进行有效的控制,即分析加工参数对工件性能的影响。目前许多学者已经报道了加工参数对切削力和表面粗糙度的影响。之前许多学者做了大量的研究,比如刀具直径和刀具半径对切削力的影响,比较不同切削力系数在切削力模型中的依赖性,以及铝的微铣削过程等。尽管如此,在微铣削中仍然存在巨大的挑战,需要人们更深刻地研究分析切削参数对切削力的影响,从而选择最优的加工参数。除此之外,在研究分析切削参数对切削力影响的众多方法中,利用响应面法(RSM)对微铣削过程进行参数优化中还没有被广泛的应用。此方法可以提供一种决策支持系统,此系统能帮助使用者选择诸如切削速度,进给速度,切削深度的最佳参数,而不是经过实验和试错不断改进直至成功。因此,RSM对于微铣削过程中的参数优化是非常有帮助的。由实验生成的数据和RSM可以被优化并且用作一个基于使用者的需求而做出决定的资源。切削力是加工过程中的重要参数。在微铣削中,切削力由三个分量组成。这三个分量分别是x,y和z方向上的切削力,分别代表进给方向切削力、进给法向切削力和轴向切削力。切削力受许多加工参数的影响,比如微铣削过程中的每齿进给量、切削速度、切削径向深度、和刀具边缘半径。由于刀具转动角度不同,未切削切屑厚度是不均匀的,这导致切削力动态变化。另一方面,在测量切削力时,需要其有对环境噪声进行隔离的能力,因此需要一个峰值采样率来保证其隔绝环境噪声的能力。除此之外,在预测切削力时需要分析模型和模拟。在微铣削中,微小的微铣削刀具缺乏足够的硬度去抵抗大切削力。如果切削力超出了一个合适的限制范围,刀具就极有可能断裂。刀具偏差的程度和限制进给速度的曲线应力同样可由切削力决定。因此,在切削之前能有预测切削力的能力将是十分有益的。应用分析和模拟模型作为支持系统来选择最好的切削条件将对用户十分有帮助。除切削力之外,表面粗糙度是用来确定微铣削过程中流程实施的众多因素之一,它还是用来确定加工过程好坏的重要因素之一。表面粗糙度直接关系到生产出来的产品的质量满意度。表面粗糙度广泛用在量化加工质量。为了得到一个所需的表面粗糙度,需要设置优化的加工参数。在宏观铣削过程中,表面粗糙度最受每齿进给量的影响。选择一个最优的每齿进给量通常可以生产出符合要求的表面粗糙度。因此,在微铣削中选择一个正确的加工参数来生产出表面质量更好的零件是十分重要的。加工过程的目的是产生一个表现最好且可靠的工件。而利用响应面法则可以为得到一个表现最好且可靠的弓箭进行参数优化。响应面法是一种数学和统计相结合的方法,用来分析一个或多个响应和参数变量之间的关系。响应面法可以看作是一种能够发现不同种加工特性和加工参数之间内在联系的有条理的方法。在响应面法中,初期的步骤是确定响应和可控变量之间的函数关联的估计。如果系统中存在曲率或响应函数是非线性的,则采用二阶模型。方差分析用来检查加工参数的可靠性和联系,也用来检查模型的准确性。本研究目的是研究和分析在加工铝合金的微铣削过程中不同的加工参数对切削力和表面粗糙度的影响,为了优化加工参数和增强对微铣削操作的理解,因为微铣削正被广泛应用。特别地,这个研究主要为了实现以下目标(1)建立一种实验来研究在数控机床上进行微铣削的表现。这将有助于为了获得更好的加工表现而进行的参数优化;(2)基于实验评估调查不同的切削参数对微铣削特性的影响。用来分析微铣削行为和加工结果的加工参数主要包括每齿进给量,切削速度和刀具直径;(3)应用基于响应面法的统计模型分析切削速度,每齿进给量对表面粗糙度的影响和它们之间的关系。第二章介绍此实验中的装置。这章首先介绍加工装置,包括CNC机床和切削刀具,工件,接着介绍用来检测加工过程的传感器,还有数据的采集。加工工件是铝6061。它是一个备受欢迎且具有良好机械性能的材料,应用在航空航天装置和生物工业中。工件设计在一个基座上,基座用螺丝固连在测力仪上,同时还利用M6的螺纹孔将AE传感器安装在工件上。在实验之前,为了保证工件足够平整,采用了一个2毫米的铣刀对其进行预加工。这样一来工件就与刀具轨迹可以保证足够的平行度。本实验中所用的刀具分别是碳化钨的端铣刀,刀具直径分别为600微米和900微米,每把刀都有两个刀刃。在小型化的微铣刀和加工过程中存在很多挑战。铣刀的直径非常小而且易碎,因此一个小的移动或者是极端的力都会对刀具寿命和部分准确性有害。同时,用肉眼去观察刀具边缘的损害是非常困难的,除非用显微镜。为了增加生产小驴,刀具需要以高速旋转。一方面刀具非常脆弱,另一方面高速是必要的,所以检测和测量切削力是在微铣削过程中所需要的。微铣刀在加工过程中非常有用,而且它们具有不同的种类和规格。需要在所需的任务的基础上选择微铣刀。工件和铣刀是本实验中重要的装置,其他装置只进行了简要介绍。实验用机床是Deckel-Maho DMU-P60精确5轴数控机床,x,y,z方向的行程分别为600/700/600 mm。测力仪型号是Kistler 9256C2。从测力仪中获得的信号将通过电荷放大器输入电脑中。AE传感器型号是Kistler 8152B221。加速度传感器的型号是352C65。每一把刀具分别对应2因素4水平的加工条件。切削速度和每齿进给量是2个因素,切削速度的4个水平量分别为(1)600毫米的刀:18.84 m/min,22.62 m/min,26.39 m/min,30.16 m/min,(2)900毫米的刀:28.27 m/min,33.93m/min,39.58 m/min,45.24 m/min。每齿进给量的4个水平分量分别为:0.5μm/tooth,1μm/tooth,2μm/tooth,3μm/tooth。除此之外,切削深度固定为50微米。因此每把刀具的加工条件分别为16种情况。第三章在上述实验条件的基础上,进行实验,并对实验数据进行分析。首先分析切削力的波形图和频率图。具体来说,在切削力波形图中有两个峰值和两个谷值,对应铣刀的两个刃。这两个峰值并不相同而是呈现出一大一小,这是由于刀具存在跳动,导致切屑的负载分配不均导致的。同时在快速傅里叶变换后的频率图上,可以看到两个明显的频率占据主要成分,其中一个是主轴频率,一个是刀刃的频率。因为实验所用的铣刀均为两刃铣刀,所以刀刃的频率是主轴频率的两倍。通过主轴的频率,可以计算出主轴的实际转速,实际上主轴频率即主轴在一秒钟之内所转的圈数。计算结果显示实际转速均低于设定值,这可能是由于数据采样延迟导致的。在每一个时间周期中的采样点数被记录少了,导致最后得到的频率值比理论值小。另外一个原因可能是由于任何产品都有制造误差,因此由于此误差的存在,导致其转速总是比理论值要低。不过通过分析理论值与实际值的差别,发现其误差在4%的范围内,小于实验规定的5%,因此可认为此转速基本符合标准。为了移除环境噪音对切削力数据的影响,需要对数据进行滤波。实验中运用的滤波器是巴特沃兹滤波器。其阶段频率需要高于刀具频率的两倍以上以保证信号不失真。通过观察原始信号和滤波后的信号可以发现,滤波后的信号比测量得到的信号幅值略小,且更加平滑。接着对切削力规律进行分析。力的结果将从两个方面呈现:切削力的峰值及其在切削周期内的分布以及刀具的多次旋转。峰值力可以根据特定切削条件而变化。为了解释这种现象,根据以下结果来比较具有特定条件的力,例如每齿进给量,切削速度和刀具直径。论文首先分析了每齿进给量对切削力的影响。在切削力实验中可以发现切削力随着每齿进给量的增加而增加。每齿进给量越高,则切屑的负载越高。当每齿进给量为2微米和3微米时,观察0.6毫米直径的铣刀,可以看到刀具每转一圈,波形图上有两个明显的峰值,尽管波峰的幅值不同。但是当每齿进给量较小时,可以观察到刀具只有一个齿参与了切削而另一个齿接触不到工件,反映在波形图上,每一转中只有一个波峰。这是因为切削的负载分配严重地受到了刀具跳动的干扰。但是当刀具为0.9毫米的直径时,波形图上不管每齿进给量是多少,一转的过程中都只有一个波峰。这表示刀具只有一个齿参与了切削,这是因为与刀具跳动相比每齿进给量相当小以至于切削不到工件。实验分析中运用了一个叫做峰值力差百分比的指标被用来评估刀具跳动对切削力的影响。可以看到0.9毫米的铣刀的峰值力差百分比的数值比0.6毫米铣刀的更大,这是由于切削瘤导致的。当每齿进给量较小,刀具直径又较大的时候,刀尖易产生切削瘤。同时比较平均峰值力可以看出,对于0.6毫米的铣刀,当每齿进给量在较低的范围内,12000 rpm和14000 rpm的曲线随每齿进给量增加而下降。当每齿进给量继续增大时,平均峰值力随后逐渐上升。当主轴速度为10000 rpm时,平均峰值力在x方向随每齿进给量的增加逐渐增加。然而当主轴速度为16000 rpm时,切削力在每齿进给量为2微米时下降然后上升。对于0.9毫米的铣刀,除了16000 rpm的主轴速度之外的其他曲线都随每齿进给量的增加而逐渐增加。接着分析切削速度对切削力的影响,切削速度效应是微铣削加工切削力研究中最重要的问题之一。在微端铣削中,微型刀具大多非常薄且直径小。因此,过度的运动和力可能对工具寿命有害。此外,除了使用显微镜外,用肉眼观察非常小直径的切削刃是不容易的。通过研究不同的切削速度对切削力的影响,得出了切削力的均方根值随着切削速度变化的规律。可以观察到当铣刀直径为0.6毫米时,除了每齿进给量为3微米,其他的情况切削力均随切削速度的增加而增加。当每齿进给量为3微米时,表现不出明显的趋势,切削力随着每齿进给量的增加而波动。同样的指标用来检查刀具跳动对切削力的影响,发现仍然是0.9毫米的刀具,指标的值更大,表明刀具为0.9毫米直径时,刀具跳动的影响更加显著。在切削力分析的最后部分,论文分析了刀具直径对平均峰值力的影响,可以看出当每齿进给量为0.5微米时,当主轴速度大于12000 rpm,直径大的刀具切削力更小,而主轴速度为10000 rpm时,直径小的刀具更好。当每齿进给量为3微米时,主轴速度小于12000 rpm时直径大的刀具切削力越小,当主轴速度大于14000 rpm时,直径小的刀具切削力越小。表面粗糙度是机械加工过程中的一个重要因素。通常,生产部件的质量由其表面粗糙度决定,非常小的表面粗糙度使得生产具有更好表面光洁度的机加工产品。本节探讨切削参数对表面粗糙度的协同影响。基于表面粗糙度的响应面法(RSM)原理建立了统计模型,其中包括每齿进给量,刀具直径,切削速度以及它们之间的关系。论文首先分析每齿进给量对表面粗糙度的影响。从已有的研究中可以了解到当每齿进给量较小,小于最小切削厚度时,前角变为负值,犁切效应十分显著,导致切削过程十分不稳定,切屑不会形成,工件受到刀具的犁切力,挤压变形,随后发生弹性恢复,导致加工过程不稳定。当每齿进给量大于最小切削厚度时,将会产生切屑,此时剪切力占据主导位置。对于0.6毫米和0.9毫米的微铣刀,可以看到表面粗糙度都会随着每齿进给量的增加而减少,尽管图像上会有一些小的波动,这些波动可能是受到的刀具跳动的影响。这是由于当在较大的每齿进给量下切削时,较大直径的刀具有较大的边缘半径,表面粗糙度有更大的趋势降低,改善加工性能。对于0.6毫米的铣刀,当切削速度为18.84 m/min和22.62 m/min时,表面粗糙度的值随每齿进给量的增加而减少。对于0.9毫米的铣刀,当切削速度为33.93 m/min和45.24 m/min时,,当每齿进给量在较小的范围时,表面粗糙度的值随着切削力的增加而减少,当每齿进给量继续增加时,表面粗糙度的值开始增大。其次分析了切削速度对表面粗糙度的影响。在微端铣削中,切削速度对于改进工艺性能起着重要作用。另一方面,它也会影响加工过程。因此,研究了切削速度对表面粗糙度的影响。当铣刀是0.9毫米的直径时,除了3微米的进给量,当切削速度在较小的范围内时,表面粗糙度的值都随切削速度的增加而减小一点,当切削速度继续增加时,表面粗糙度的值不再减小而是开始上升。当铣刀直径为0.6毫米时,同样的规律可以得到,当切削速度在较小的范围内时,除了每齿进给量为2微米的曲线之外其他曲线的表面粗糙度值都随切削速度的增加而减小,当切削速度继续增加时不在减小,表面粗糙度开始上升。最后论文分析了刀具直径对表面粗糙度的影响。当主轴转速为10000 rpm时,对应的切削速度分别为:0.6毫米的刀具为18.84 m/min,0.9毫米的刀具为28.27 m/min。可以在图像中看到直径较大的刀具能够获得更小的表面粗糙度值,即更好的表面质量。接下来对表面粗糙度进行了回归分析。由于0.9毫米的铣刀能够获得更好的表面质量,所以下面着重分析0.9毫米的铣刀。其中运用了响应面法,建立了一个表面粗糙度的模型,此表面粗糙度模型是一个二阶的模型。根据本次实验的实验数据,基于模型,可以获得一张表面粗糙度参数估计总结表。表中的标准差的数值很小,证明表面粗糙度的回归模型有很好的置信度。随后进行了方差分析(ANOVA),得到了表面粗糙度的多元回归模型表,以及表面粗糙度相关分析表。从相关分析表中可以看出,切削速度参数的均方值较大,可知切削速度相比较每齿进给量有更大的影响。通过3-D表面轮廓图可以得出最好的表面质量可以在每齿进给量为2.5微米和切削速度38.5 m/min时获得。第四章是本文通过对铝6061进行微铣削实验,分析数据得到的结论。本研究展示了对6061铝合金进行微铣削过程的实验分析。目的是为了调查切削速度,每齿进给量和刀具直径和每齿进给量对表面粗糙度的影响。二阶的回归模型被用来研究表面粗糙度基于响应面法,发现了表面粗糙度和切削参数的内在联系,同时对切削参数进行了优化。可得如下结论(1)切削力随每齿进给量和切削速度的增加而增加。可以观察到切削力波形的一些波动,这是由于刀具跳动,冲击挠度和振动导致的。当刀具直径变大时,这些波动有可能减小,这是由于大直径的刀具具有更好的刚度。(2)表面粗糙度用MINITAB 17统计软件进行分析,确定了切削速度和每齿进给量对表面粗糙度的影响,同时研究了它们间的相互关系。相关分析表明表面质量大多数情况下随着每齿进给量和切削速度的增加而减少。表面粗糙度的模型揭示了切削速度对表面粗糙度的影响最大,每齿进给量次之。(3)获得的三维表面轮廓点图给出了清晰的曲线线性图。由于系统不是线性的,这个模型处于高阶的状态。同时模型具有较高的置信度。除此之外,三维表面轮廓点图表明了表面粗糙度最好时各切削参数的区域位置论文最后部分提出了未来需要做的进一步工作。一般来说,金属切削过程与振动有关。刀具的跳动和振动主要是由于刀具产生的力的变化、回转质量的不平衡、轴系、轴承性能、齿轮的不均匀性等因素引起的。虽然对微铣削过程中刀具跳动的振动效应和刀具跳动的标定进行了大量的研究,但在提出刀具跳动的绝对新标定方法和解决微铣削过程中的动偏转效应方面仍存在较大的差距。这些都需要在日后进行研究,日益完善。