微細鉆削銑削關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微小零件和裝置的需求在不斷增加。零件的尺度不斷減小,這給機械加工帶來了新的挑戰(zhàn),微細切削技術(shù)也隨之發(fā)展起來。微細切削中的尺寸效應(yīng)、刀具強度、刃口強度以及加工質(zhì)量控制等是微細切削研究的核心問題。
　　本文以PCB微孔鉆削和金屬微細銑削為研究對象,以微細切削加工質(zhì)量控制為研究目標,對微細切削過程中涉及的材料去除機理、尺寸效應(yīng)、微細刀具的失效機理、微細刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、微細切削工藝的優(yōu)化等方面進行了研究,主要研究

2、內(nèi)容與創(chuàng)新之處總結(jié)如下:
　　(1)研發(fā)三軸精密微細切削實驗平臺
　　針對課題的研究需求獨立設(shè)計研制了一臺超高速三軸立式微細加工平臺。該平臺最高主軸轉(zhuǎn)速達到300000rev/min,是目前同類實驗平臺中最高的。為了使高速電主軸在運行過程中的穩(wěn)定性,選擇了合理的電機布置方案并采用了大理石床身以提高系統(tǒng)剛性。該平臺采用分辨率為0.1微米的光柵,重復(fù)定位誤差為±1?m,最大運行速度300mm/s,能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動。平臺精度測試結(jié)

3、果表明微細切削平臺精度已經(jīng)達到設(shè)計要求。
　　(2)微細毛刺形成機理及抑制策略
　　通過切削有限元和微細切削試驗研究了微細銑削中的材料去除機理、以及毛刺形成機理。微細切削有限元仿真結(jié)果表明微細毛刺的尺寸隨著刃口半徑和未切切削厚度的增大而增大。摩擦系數(shù)增大對毛刺尺寸影響不大。增大切出角可以明顯降低毛刺尺寸。通過PCB微孔鉆削實驗研究了PCB毛刺的形成機理及加工參數(shù)對PCB微細毛刺形成的影響。PCB鉆削毛刺的入口毛刺和出口毛刺有

4、所不同。在入口處主要是泊松毛刺。而出口處形成了側(cè)翻毛刺。通過統(tǒng)計分析不同加工參數(shù)下的毛刺尺寸可知進給對毛刺尺寸的影響大于主軸轉(zhuǎn)速的變化。
　　(3)PCB微孔鉆削尺度效應(yīng)及鉆削力分析建模
　　PCB微孔鉆削中的尺寸效應(yīng)對鉆削扭矩有明顯的影響。通過計算不同進給下的切削比能發(fā)現(xiàn),切削比能隨著進給增大而減小。分析結(jié)果表明,每轉(zhuǎn)進給量大于5微米后,鉆削進入穩(wěn)態(tài)過程。在鉆削實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了PCB微細鉆孔軸向力和扭矩的預(yù)測模型,驗

5、證實驗結(jié)果表明預(yù)測模型與實驗數(shù)據(jù)較為接近。針對直徑0.4mm和0.6mm的微鉆進行了預(yù)鉆孔實驗。實驗結(jié)果表明橫刃產(chǎn)生的軸向力占總軸向力的50％以上,尤其在鉆削GFRP時橫刃產(chǎn)生的軸向力占總軸向力的70%以上。
　　(4)建立微細刀具刃口應(yīng)力計算公式
　　首先建立了 D型微細銑刀的數(shù)學(xué)模型,得出了 D型微銑刀的前角公式。實現(xiàn)了在給定刀具半徑和前角的情況下的能夠得到刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過有限元分析方法對刀具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。其次根據(jù) P

6、CB微鉆主刃和橫刃區(qū)域受力分析建立了微鉆刃口應(yīng)力計算公式。在此公式基礎(chǔ)上,以刀具材料的屈服強度為設(shè)計準則,建立微細鉆頭的刃口最小鈍圓半徑設(shè)計公式。最后提出了改進微鉆刃口設(shè)計的具體方法,即依據(jù)臨界切削厚度來設(shè)計刃口半徑,并使微鉆橫刃的刃口半徑大于主刃,在保證刃口強度可靠的前提下,使兩個區(qū)域刃口都處在穩(wěn)態(tài)剪切狀態(tài)中,使刀具工作狀態(tài)平穩(wěn)。
　　(5)基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的刀具磨損狀態(tài)的識別
　　由于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型自身存在的收斂

7、慢、局部最小值等缺陷,并不適應(yīng)于微細刀具的實時監(jiān)測。因此本研究采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立了刀具磨損預(yù)測模型。通過對模型的訓(xùn)練與測試,可知模型實際輸出結(jié)果與理想輸出值吻合,驗證了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于刀具狀態(tài)監(jiān)測,特別是實時在線監(jiān)測的可行性。
　　(6)微細加工質(zhì)量控制策略的研究
　　針對不同的微細加工對象,本文總結(jié)出了不同的加工質(zhì)量控制方法。在抑制金屬微細銑削毛刺方面,本研究提出以增大切出角的方式抑制微細銑削毛刺的形成。針對PCB板