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| 內容簡介： |
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《薄壁件微铣削加工理论及关键技术》从解决微小薄壁件微铣削加工难题的角度出发，遵循机理研究与技术研发相结合的研究思路，采用理论建模、仿真模拟与工艺优化等方法，研究了薄壁件微铣削加工理论及关键技术。《薄壁件微铣削加工理论及关键技术》以薄壁件微铣削瞬时切削厚度模型、微铣削力模型和微铣削系统动力学模型为理论基础，依据相对传递函数将微铣刀和薄壁件动态特性纳入薄壁件微铣削系统中，通过时域仿真获得与切削位置有关的薄壁件微铣削稳定性叶瓣图，为薄壁件微铣削稳定切削奠定基础；通过仿真和试验相结合的方式，实现薄壁件微铣削加工变形预测和抑制，最终实现热压模具薄壁结构的高质、高效微铣削加工。
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目录前言第1章 绪论 11.1 薄壁件特点及其微铣削加工难点 11.1.1 薄壁件特征、加工及应用 11.1.2 薄壁件微铣削加工难点 31.2 薄壁件铣削稳定性研究进展 41.2.1 薄壁件铣削过程颤振分析 41.2.2 薄壁件铣削力模型 61.2.3 薄壁件铣削系统动态特性 91.2.4 稳定性求解方法 161.2.5 薄壁件微铣削稳定性研究现状 201.3 薄壁件铣削加工变形预测及抑制研究进展 211.3.1 薄壁件铣削加工变形预测 211.3.2 薄壁件铣削加工变形抑制 241.3.3 薄壁件微铣削加工变形预测及抑制 281.4 薄壁件微铣削加工表面完整性研究进展 291.4.1 薄壁件微铣削表面粗糙度研究现状 291.4.2 薄壁件微铣削残余应力研究现状 311.4.3 微铣削切削参数优化研究现状 331.5 现有研究存在的问题及本书内容概述 351.5.1 薄壁件微铣削颤振稳定性存在的问题及研究内容 351.5.2 薄壁件微铣削加工变形预测及抑制存在的问题及研究内容 361.5.3 镍基高温合金薄壁件微铣削加工存在的问题及研究内容 37参考文献 38第2章 薄壁件微铣削力模型 592.1 微铣削原理 592.1.1 直角切削 592.1.2 斜角切削 592.2 微铣削*小切削厚度划分的解析力模型 602.2.1 以剪切效应为主导的切削力 602.2.2 以耕犁效应为主导的切削力 612.3 薄壁件微铣削过程齿位角 622.4 薄壁件微铣削中刀具与薄壁件的变形 662.5 薄壁件微铣削过程瞬时切削厚度 692.6 本章小结 70参考文献 71第3章 薄壁件微铣削系统动态特性分析 723.1 薄壁件微铣削刀尖频响函数 733.1.1 微铣刀的建模方法 733.1.2 子结构耦合法 733.1.3 轴承动力学 743.2 考虑材料去除效应的薄壁件动态特性 753.2.1 边界条件约束 753.2.2 瑞利-里茨法 773.2.3 薄壁件微铣削运动方程 783.3 相对传递函数 803.4 本章小结 83参考文献 84第4章 薄壁件微铣削稳定性分析 854.1 薄壁件微铣削系统动力学模型 854.2 薄壁件微铣削稳定性叶瓣图 884.3 稳定性叶瓣图的试验验证 924.4 本章小结 95参考文献 96第5章 薄壁件微铣削过程的有限元仿真 975.1 薄壁件微铣削过程的有限元仿真建模 975.1.1 模型建立与网格划分 975.1.2 材料参数与失效准则 995.1.3 相互作用与载荷 1015.1.4 微铣削过程仿真输出 1025.2 薄壁件微铣削过程的仿真试验验证 1035.3 本章小结 105参考文献 105第6章 薄壁件微铣削加工变形预测 1076.1 薄壁件微铣削加工变形预测模型 1076.1.1 几何模型建立与网格划分 1076.1.2 单元编码与载荷施加 1076.1.3 单元删除 1106.1.4 变形预测 1106.2 变形模型的试验验证 1116.3 本章小结 115参考文献 115第7章 薄壁件微铣削加工变形抑制 1167.1 考虑刀具磨损的变形抑制方案 1167.1.1 微铣刀磨损预测 1177.1.2 变形抑制方案 1237.2 变形因素分析与抑制 1247.3 本章小结 126参考文献 127第8章 薄壁件微铣削加工残余应力预测 1288.1 薄壁件微铣削加工过程有限元仿真模型 1288.1.1 微铣刀和薄壁件几何模型的建立与装配 1288.1.2 微铣刀和薄壁件模型的网格划分 1318.1.3 材料模型与失效模型 1338.1.4 微铣刀与薄壁件的相互作用 1348.1.5 边界条件与载荷 1368.1.6 有限元仿真结果与试验验证 1378.2 薄壁件微铣削表面残余应力预测模型 1398.2.1 薄壁件微铣削表面残余应力预测模型建立 1398.2.2 薄壁件微铣削表面残余应力预测模型验证 1408.3 本章小结 142参考文献 143第9章 薄壁件微铣削加工表面粗糙度预测 1449.1 薄壁件微铣削响应*面试验 1449.1.1 薄壁件微铣削响应*面试验设计 1449.1.2 薄壁件微铣削响应*面试验设备、材料与加工结果 1469.2 薄壁件微铣削表面粗糙度预测模型 1489.2.1 薄壁件微铣削表面粗糙度预测模型建立 1489.2.2 薄壁件微铣削表面粗糙度预测模型验证 1499.3 切削参数对薄壁件微铣削表面粗糙度的影响 1529.4 本章小结 155参考文献 156第10章 薄壁件微铣削参数优化及微流控芯片热压模具加工 15710.1 NSGA-II算法改进 15710.2 改进NSGA-II算法的性能验证 16010.2.1 基于标准测试函数的算法性能验证 16010.2.2 基于算法性能指标的算法性能验证 16310.3 基于改进NSGA-II算法的薄壁件微铣削切削参数多目标优化 16510.3.1 优化目标 16510.3.2 约束条件 16610.3.3 多目标优化结果 16810.4 微流控芯片热压模具微铣削加工试验 16910.5 本章小结 170参考文献 171
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第1章 绪论 1.1 薄壁件特点及其微铣削加工难点 1.1.1 薄壁件特征、加工及应用 近年来，航空航天、能源动力、生物医学等领域对各种微小型产品的需求不断增加，对微小结构/零件的精度、质量和可靠性等要求也越来越高。此类微小结构/零件，如微型叶轮或涡轮发动机叶片(图1-1(a))、微型火箭发动机 (图1-1(b))和微流控芯片热压模具(图1-1(c))等都具有薄壁特征(厚度在100μm以下，高厚比大于10)[1-4]，该特征通常对加工精度和表面质量要求较高。以微流控芯片热压模具的薄壁阵列结构为例，其加工需满足多项苛刻要求，不仅对宽度、高度、表面粗糙度、外轮廓中心平面与微沟槽中心平面之间对称度有要求，而且要求加工后的表面呈现残余压应力状态[5]。因此，能够加工具有复杂三维几何形状、多样化材料和介观尺度特征的薄壁件精密加工技术，已成为国内外专家学者的研究重点。 目前，可用于微小结构/零件加工的微细制造技术包括硅基微机电系统(microelectromechanical system， MEMS)技术、LIGA技术和微细加工技术。硅基MEMS技术具有集成度高、便于大批量生产的优点，但难以加工三维自由*面零件，也难以加工金属材料。LIGA技术适合制造垂直壁结构，但不擅长加工具有斜角、自由*面的结构。在微细加工技术中，微细电火花加工具有无切削力、无毛刺产生、可加工三维结构等优势，但其电极易损耗、加工稳定性不易控制；微细电解加工不会产生由切削力引起的残余应力及变形，没有飞边与毛刺，也不会产生电火花加工后的凹坑和再凝固层，但该方法难以实现高加工精度和稳定性，小批量生产成本较高，且电解产物需妥善处理，否则可能导致环境污染；微细激光加工精度高、无机械作用力、加工变形小，适用于多种加工材料，且对难加工材料的加工效果良好，加工速度快，生产效率高，但微细激光加工需依赖高性能激光器，设备成本较高，且加工后存在变质层。以上微细制造技术可有效实现微小结构/零件的二维或简单三维结构加工，但尚不能很好解决微小薄壁结构/零件的高效、高精度、低成本加工。 图1-1 微小薄壁结构/零部件 基于微小型数控机床的微铣削技术具有加工材料范围广、能实现复杂三维*面铣削[6]、加工精度高、能耗小、设备投资少、效率高等优点，能加工出精度高达5μm以上、硬度大于45HRC、*面粗糙度达0.2μm、厚度小至0.5μm的细筋零件[4]。微铣削是制造复杂三维薄壁结构(如涡轮叶片、微鳍等)的*选制造工艺，广泛应用于生物医学、能源、汽车和航空航天等领域[7]。 通过镍基高温合金微小薄壁结构微铣削加工试验研究发现，可以加工出厚度为100μm、高度为1mm的镍基高温合金十字薄壁结构(图1-2)，但厚度和高度偏差高达10.2%和8.8%，表面粗糙度Ra为0.7μm，侧壁呈现残余拉应力(尚不符合微流控芯片热压模具的要求)。由此可知，在薄壁结构的微铣削加工过程中存在一些难题。 图1-2 镍基高温合金薄壁结构 1.1.2 薄壁件微铣削加工难点 薄壁件和微铣刀之间的相对弱刚性导致在加工过程中发生弹塑性变形，严重影响了薄壁件的成形精度。在薄壁件微铣削加工过程中，当壁厚减小到一定程度时，薄壁件刚度不足以抵抗微铣刀施加在薄壁上的作用力，薄壁件将发生弹塑性变形，造成壁厚不均、加工变形误差增大，难以保证工件加工精度。加工变形是薄壁件微铣削加工必须考虑的问题[8]。微铣刀直径一般为0.02～1mm，较小的几何尺寸、超高的主轴转速及刃口圆弧半径引起的尺度效应等导致微铣刀的磨损机理与传统铣刀不同。因刀具磨损造成的加工特征尺寸的变化使微铣削力产生波动，进而导致弱刚性薄壁件加工变形不规则，产生较大的加工变形误差。 在薄壁件微铣削加工过程中，剪切效应和耕犁效应的更替作用导致微铣削过程呈现非线性特征。由于微铣刀直径较小，为确保足够的切削速度，需采用较高的主轴转速，但高主轴转速会产生离心力和陀螺效应。此外，随着加工走刀的进行，工件的结构尺寸不断变化，其动态特性也随之改变。薄壁件的低刚度特性及加工过程中系统的频响特性发生动态变化，使微铣削的动态特性与失稳机制更为复杂，导致传统铣削动力学模型难以适用于薄壁件的微铣削加工。加工系统的切削稳定性受刀具与工件相对动态特性的影响，难以确保稳定切削，甚至可能发生颤振。颤振对薄壁件的加工精度影响显著，易在加工表面产生振纹，导致表面粗糙度增加，并加剧微铣刀的磨损。因此，亟须针对微小薄壁件的微铣削加工颤振稳定性展开深入研究。 薄壁件微铣削表面完整性生成机理复杂，且难以精确预测。微铣削加工后的薄壁件因尺度受限，难以进行后续加工处理，其使用性能主要取决于微铣削加工后的残余应力及表面粗糙度等表面完整性指标。其中，残余应力对零件的表面质量影响显著。当加工后表面残余应力为拉应力时，容易引发微裂纹，加速零件表面裂纹的产生；当加工后表面残余应力为压应力时，有助于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。此外，应力分布不均也将削弱零件的抗疲劳性能。微小薄壁件通常对侧壁表面粗糙度有较高要求，而微铣削过程中由于刀具尺寸小、系统刚度低、动态特性复杂，难以实现表面质量的稳定控制。目前，尚缺乏对薄壁件微铣削表面完整性的系统及深入研究。 此外，微小薄壁结构具有较大的高厚比，在规划走刀路径时需探索有效增加薄壁结构强度、抑制加工变形、保证薄壁件尺寸精度的加工工艺方法。为实现微小薄壁件稳定、高质、高效的微铣削加工，需要以提高材料去除率和降低表面粗糙度为目标，以维持稳定切削、使零件表面呈现残余压应力，以及满足刀具与机床极限参数等为约束条件，开展微铣削切削参数多目标优化研究。 1.2 薄壁件铣削稳定性研究进展 1.2.1 薄壁件铣削过程颤振分析 在薄壁件铣削加工过程中，振动会导致加工质量降低，甚至破坏工件和刀具。为了降低切削振动对薄壁件铣削加工的影响，需要对产生切削振动的根源进行探究。 按振动的激励源特性划分，铣削加工过程中的振动主要有三类，即自由振动、强迫振动和自激振动。自由振动是由铣削过程中系统受到的突然冲击激励所引起的。由于机床内部存在阻尼，振动会逐渐衰减。强迫振动是由切削过程中机床内部或外部受到持续变化的干扰激励所引起的，其影响程度主要取决于激励本身的大小和频率。自激振动是指切削过程中铣刀和工件之间产生的激励导致的初始振动，这种振动能够从系统中获得能量并不断维持下去，也称为颤振[1]。颤振是薄壁件铣削过程中振动的主要形式，是实现高质量薄壁件加工亟须解决的问题。 按照机理的不同，颤振分为三种类型，即摩擦型颤振、耦合型颤振和再生型颤振。Jin等[9]研究发现，再生型颤振是薄壁件铣削中影响最大的颤振形式。此后，再生型颤振成为薄壁件铣削加工稳定性研究的重点。许多学者采用不同的分析方法来描述再生型颤振对稳定性分析的影响。Tehranizadeh等[10]比较了标准、变螺距和波峰切削刀具在铣削薄壁件时对颤振的影响，根据加工过程中工件动态引起的稳定性极限变化生成稳定性图，如图1-3所示。Darshan等[11]研究了锯齿形立铣刀的几何参数，如刃数、螺旋角和锯齿几何形状参数对薄壁件加工过程中颤振的影响。Liu等[12]针对刀具轴向切入和水平进给的情况，建立了刀具底刃的轴向再生颤振模型。Budak[13]在薄壁件铣削中考虑了刀具的再生效应，运用再生颤振模型将工件在切削过程中的振动用静态薄壁变形表征，并用线性方法初次实现了薄壁件铣削过程仿真。但是Budak的模型不能完全适用于薄壁件铣削，因为薄壁件的动态特性在加工期间会发生快速变化。Lapujoulade等[14]和Thevenot等[15]将薄壁件铣削加工时产生的振动变化纳入再生颤振模型，完善了线性分析方法。Thevenot等[16]在加工薄壁件时，还运用线性关系研究了主轴转速、轴向切削深度(简称轴向切深)和切削位置与薄壁件铣削稳定性的关系，并建立了更直观的三维稳定性图。关于线性方法的研究相对成熟，但是非线性分析方法更能准确描述实际切削过程中复杂的变化过程。Li等[17]研究了典型薄壁件的固有结构特征、刀具位置和材料去除对工件加工过程稳定性的影响。Li等[18]将螺旋角和过程阻尼纳入再生颤振模型中，使用非线性的分析方法进行研究，提高了计算效率和预测精度。Li等[19]将刀具侧面和加工表面之间干涉产生的阻尼纳入再生颤振模型中，改进了干涉区域的计算模型。张雪薇等[20]研究再生型颤振时发现，主轴转速与轴向切深之间存在非线性关系，并以此建立了薄壁件铣削的三维动力学模型。Tunc和Gulmez[21]将刀具路径纳入再生颤振模型中，提出了区别于传统刀具路径的五轴铣削刀具路径。 此外，薄壁件铣削经常受再生效应的影响，导致表面光洁度差。Seguy等[22]用数值积分方法求解薄壁件铣削的非线性时滞微分方程，研究了薄壁件铣削过程中颤振与表面粗糙度之间的关系。Li等[23]提出了一种涉及非均匀余量的工艺优化方法，应用敏感加工刚度理论并进行有限元模拟，提高了切削过程的稳定性，降低了表面粗糙度。目前，薄壁件铣削稳定性研究在理论模型上实现了从线性理论到非线性理论的发展，将切削过程中的过程阻尼、刀刃形貌等因素纳入模型中。颤振模型是稳定性预测的基础，能够表征铣削力、系统动态特性与振动位移之间的关系。铣削过程中，切削力的方向周期性更替。特别是在薄壁件铣削中，径向切削尺寸小，铣削力变化迅速，同时系统内具有多自由度的结构动力学，使系统内动态特性变化复杂，因此薄壁件铣削稳定性研究集中在薄壁件铣削力模型研究和系统动态特性研究等方面。 1.2.2 薄壁件铣削力模型 振动位移会导致切削厚度变化，而切削厚度又直接影响铣削力的大小。高精度的铣削力模型是准确描述薄壁件切削过程和精确预测稳定性区间的前提和基础。目前，薄壁件铣削力模型主要分为经验模型、有限元模型及解析模型。 铣削力的经验模型基于切削试验数据，研究各种影响因素对铣削力的影响规律，并通过处理数据得到能够反映各种影响因素与铣削力关系的表达式，这种方法在实际加工中比较常用。
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