鋁合金7050-T7451微切削加工機理及表面完整性研究.pdf

1、隨著航空航天、國防工業(yè)、微電子工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學以及生物工程技術的發(fā)展,對精密/超精密三維微小零件(特征尺寸在微米級到毫米級)的需求日益迫切。目前的多種微細加工技術中,針對硅基材料的刻蝕技術、薄膜技術以及LIGA技術等應用廣泛。但是它們的主要加工對象被限制在硅基材料上,并且工件的幾何形狀基本上是簡單的二維形狀。而微切削技術是把常規(guī)切削技術應用到微觀領域,有其自身優(yōu)勢。使用CNC加工中心可實現(xiàn)2D、2.5D簡單特征到復雜的3D復雜形貌或者自由

2、曲面的微加工,通過此方法加工微小模具可達到批量生產的目的。另外,微切削加工被加工材料幾乎不受限制,可以滿足微型零件對材料多樣性的要求。由于工件、刀具尺寸的大幅減小導致微切削加工中表現(xiàn)出許多與常規(guī)切削加工不同的現(xiàn)象。微切削加工機理研究方面,刀具刃口半徑的存在對切屑形成、尺度效應、最小切削厚度現(xiàn)象等有非常明顯的影響。另外微切削力建模、微切削中的表面完整性與微毛刺的產生及微切削加工過程仿真等方面的研究,是目前微切削加工研究中的關鍵技術問題。<

3、br>　　 切削力是研究切削加工過程的重要物理量之一,研究切削力對進一步弄清切削機理,對計算功率消耗,對刀具、機床、夾具的設計,對制定合理的切削用量,優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等,都具有非常重要的意義。通過對微銑削加工過程向二維直角切削加工的簡化,建立體現(xiàn)微切削特點的二維切削力模型,并對切削區(qū)域進行重新區(qū)劃。為了便于使用Kistler9257B型測力儀進行加工過程切削力的測量,對工件進行預處理,使用數(shù)控銑削中心實現(xiàn)直角車削試驗過程?？紤]刀具刃口

4、半徑的存在對微切削加工過程的影響,試驗方案在不同切削速度下變換切削深度,實現(xiàn)單因素直角切削。試驗過程中測得不同切削用量下的切削力,對切削力進行處理后得到不同切削參數(shù)下的平均切削力,發(fā)現(xiàn)切削力和切削抗力隨切削深度變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；通過切削抗力與切削力的比值計算,發(fā)現(xiàn)隨著切削深度的減小,三種速度下切削力比值均呈非線性增大趨勢,尤其是當切削深度小于25μm時,增大趨勢愈加明顯,說明微切削加工時存在摩擦尺度效應;求得單位切削力,發(fā)現(xiàn)切削速

5、度對單位切削力和單位切削抗力的影響并不是十分明顯,而切削深度的變化對兩種單位切削力的影響卻非常大。當切削深度小于25μm的情況下,隨著切削深度的減小,兩種力的單位切削能量都隨著切削深度的減小而成非線性增加,表明使用硬質合金刀具對鋁合金7050-T7451過程中存在尺度效應,且刃口半徑是引起尺度效應的重要因為。
　　 微切削加工中,由于最小切削深度的存在,切屑的形成過程與傳統(tǒng)切削加工有較大不同,切屑形貌也有自身特點。在試驗基礎上得

6、到不同切削加工條件下的微切屑形貌,發(fā)現(xiàn)在相同切削深度不同切削速度下產生的切屑卷曲程度不同,較高速度下產生的切屑卷曲程度比較低切削速度下的切屑卷曲程度小,在切削深度較大時該現(xiàn)象更為明顯；另外,相同切削速度下,切削深度小于最小切深時,產生擠碎的褶皺切屑,切削深度大于最小切削深度時,產生平滑的連續(xù)切屑。切削深度非常小的情況下,直角車削的切削力發(fā)生周期性振動；而切削深度較大的情況下,切削力非常平穩(wěn),該現(xiàn)象反映了當切削深度小于最小切削深度時,工件

7、材料在刀具刃口前端由堆積到形成切屑的過程；同時建立描述微切削加工的等效剪切角模型,研究切屑變形系數(shù)及其影響因素,可為表面完整性、刀具壽命測以及銑削參數(shù)優(yōu)化等提供支持。
　　 微切削加工中由于刃口半徑造成的尺度效應及最小切深的存在,切削刃附近的應變、應力分布及溫度狀況極為復雜,在試驗中難以直接觀測,同時也很難用解析力學的方法求解。使用有限元方法進行分析,并且對于試驗和經(jīng)驗方式來說,是非常好的補充。材料模型的構建是進行切削加工有限元

8、仿真的重要前提,同時也是該領域研究的難點。根據(jù)霍普金森壓桿試驗獲得的不同應變、應變率、溫度下的流動應力,對鋁合金7050-T7451建立了基于Power-Law的材料本構關系。將銑削加工過程進行簡化,建立考慮刃口半徑的二維有限元CAD模型,對不同切削條件下的加工過程進行仿真,并將仿真切削力與試驗結果進行了對比,發(fā)現(xiàn)仿真結果與試驗值有較好的一致性?；诓牧狭鲃臃绞?從仿真結果中發(fā)現(xiàn)微切削加工中由于刃口半徑存在,刀刃前區(qū)存在著金屬停滯區(qū),并

9、獲得硬質合金刀具切削鋁合金7050-T7451的最小切削深度大約為刀具刃口半徑的30％左右。通過變切削深度及變刃口半徑的兩組不同仿真,分析刀具刃口半徑和切削參數(shù)對尺度效應、切削區(qū)域溫度分布、剪切區(qū)域內的塑性應變和應變率分布等的影響規(guī)律。
　　 表面完整性是零件在加工或處理之后所具有的表面紋理和表層狀態(tài),其評價指標有表面粗糙度、加工硬度、殘余應力以及微觀組織等方面。通過單因素直角切削試驗,得到了不同切削參數(shù)下的已加工表面。對已加工

10、表面的粗糙度、表層微觀組織、加工硬化以及殘余應力進行測量,并對其受刀具刃口半徑及切削參數(shù)等的影響規(guī)律進行分析。根據(jù)測得的表面粗糙度,驗證試驗過程中刀具刃口形貌保持完好；試驗表明直角車削條件下,已加工表面的應力狀態(tài)為殘余拉應力,切削深度的變化對殘余應力值有明顯的影響,隨著切削深度的減小,拉應力的值也隨之減小,且當切削深度小于刃口半徑(25μm)時,刀具的刃口半徑影響明顯。研究已加工表面殘余應力的形成機制,并嘗試根據(jù)位錯理論建立加工硬化理論

11、模型。
　　 微銑削加工技術是實現(xiàn)微小工件制造或者進行微小特征尺寸加工的重要方式。經(jīng)過切削加工獲得的零件表面,總是存在一定的表面粗糙度、塑性變形層、金相組織變化和表面裂紋,對于微小工件而言,其表面面積與體積的比值比傳統(tǒng)切削加工要大的多,表面形貌和毛刺對于其尺寸精度和使用性能的影響更為突出?；阢娤骷庸け砻嫘纬衫碚摲治?提出微切削加工過程已加工表面粗糙度的預測模型,該模型在傳統(tǒng)理論粗糙度模型基礎上,考慮最小切削深度、刀具形貌以及加

12、工參數(shù)的影響,以微銑削鋁合金7050-T7451試驗為依據(jù),對微銑削表面粗糙度、毛刺形成等特征進行研究,分析了銑削用量、刀具磨損等對表面形貌及毛刺生成的影響規(guī)律,為微銑削加工表面形成特征與狀態(tài)的研究、合理選擇切削參數(shù)提供依據(jù)。通過正交微銑削試驗發(fā)現(xiàn),切削深度對槽銑底面表面粗糙度的影響明顯。試驗結果表明,微槽銑鋁合金7050-T7451的毛刺形式為頂部毛刺,且頂部毛刺的產生受最小切削深度及尺度效應的影響,同時切削深度、進給量及刀具磨損對毛