微细铣削振动响应及表面形貌预测研究

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随着装备小型化和集成化的发展,微型零件在航空航天、国防工业、生物医学、电子信息等领域的应用越来越广泛,微细铣削以其独特的优势成为加工微型零件的主要方式。微细铣削加工过程中,由于微铣刀和工件尺寸较小且刚性较差,微细铣削加工过程中会出现剧烈的尺寸依赖振动,严重缩短刀具寿命、降低加工效率和加工质量。本文基于应变梯度弹性理论,探索尺寸效应对微铣刀及工件振动响应的影响机制,研究微细铣削的表面形貌形成机理,为实现微细铣削振动抑制和加工参数优化,进而实现微细铣削高效精密加工提供理论依据。首先,提出一种考虑结构尺寸效应的微铣刀动力学建模及求解方法,揭示结构尺寸效应对微铣刀振动响应的影响机制。将微铣刀简化为Timoshenko梁模型,基于应变梯度弹性理论和Hamilton原理,建立考虑结构尺寸效应的微铣刀动力学模型,并通过有限元数值解法对此动力学模型进行求解。该模型中包含三个材料特征尺寸参数,用于表征微铣刀的结构尺寸效应。研究发现微铣刀的尺寸效应使得微铣刀的刚度增加,固有频率增加,静变形和动态响应减小。然后,建立微厚度薄板微细铣削动力学模型,预测微厚度薄板微细铣削过程中的振动响应和稳定性。将微厚度薄板简化为Kirchhoff板模型,基于应变梯度弹性理论和Hamilton原理,建立考虑尺寸效应的微厚度薄板的动力学模型。将沿切削路径移动的微铣削力作为移动载荷,研究考虑结构尺寸效应后,微厚度薄板在移动载荷作用下的振动响应。通过微分求积法获得考虑结构尺寸效应的微厚度薄板的稳定性叶瓣图。结果表明,微厚度薄板的结构尺寸效应使得微厚度薄板的刚度增加,移动载荷作用下微厚度薄板的响应减小,系统稳定性提高。最后,建立考虑微铣刀尺寸依赖振动的柔性微铣削力模型,提出微细铣削表面形貌的预测方法,研究微细铣削表面形貌的影响因素。考虑微铣刀尺寸依赖振动对微铣削力的反馈作用,建立柔性微铣削力模型;考虑柔性微铣削力作用下微铣刀的尺寸依赖振动响应,同时考虑微铣刀跳动以及刃口半径导致的耕犁区域的弹性恢复,基于微铣刀切削刃运动轨迹,模拟出微细铣削的加工表面形貌。结果表明,考虑微铣刀振动后,表面粗糙度增加;与未考虑尺寸效应的表面粗糙度相比较,考虑尺寸效应的表面粗糙度减小。
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