【摘 要】
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在加工结构复杂且具有特殊功能的微型零件时,振动辅助微细加工已经成为一种主要的加工方式,其具有减小切削力、降低刀具磨损率、减少毛刺形成、提高表面光洁度等优点。同时,振动辅助微细铣削的加工参数通常为微米级,由此引入的尺度效应与铣刀自身的刀具偏心等对于切削力的计算具有重要意义。为实现振动辅助精密加工的目的,本课题利用理论建模与仿真分析相结合的方法,对非谐振式二维振动辅助微细铣削进行研究,主要内容如下:1
【基金项目】
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河北省高等学校科学技术研究项目（No. ZD2020124）；
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在加工结构复杂且具有特殊功能的微型零件时,振动辅助微细加工已经成为一种主要的加工方式,其具有减小切削力、降低刀具磨损率、减少毛刺形成、提高表面光洁度等优点。同时,振动辅助微细铣削的加工参数通常为微米级,由此引入的尺度效应与铣刀自身的刀具偏心等对于切削力的计算具有重要意义。为实现振动辅助精密加工的目的,本课题利用理论建模与仿真分析相结合的方法,对非谐振式二维振动辅助微细铣削进行研究,主要内容如下:1.基于柔顺机构,设计一种新型的非谐振式二维柔顺振动平台。采用双直梁型柔性铰链与直梁型柔性铰链对称布置,减小平台的寄生运动与耦合误差。在理论建模的基础上,建立振动平台的等效动力学模型,分别通过理论计算与有限元分析研究其动力学和静力学特性,其一阶固有频率与极限工作行程分别为4144.9 Hz与22.59μm。2.对二维柔顺振动平台的一阶固有频率与极限工作行程进行多目标优化。利用有限元分析法建立正交试验,并通过响应曲面法建立预测模型与柔性铰链结构参数之间的响应关系。同时,在响应曲面的基础上引入多目标优化遗传算法,获得了振动平台在设计空间内的平衡最优解。通过理论建模与有限元仿真对比分析,优化后的一阶固有频率与极限工作行程分别为4267.6 Hz与23.30μm,分别提高了2.96%和3.14%。3.基于力学解析法与斜角切削微元力模型,并根据剪切区与犁耕区切削力大小不同的特点,建立铝合金Al 6061的二维振动辅助微细铣削切削力模型。综合考虑刀具偏心以及实际切削过程中的尺度效应与累积作用对瞬时切削厚度的影响,结合二维振动辅助微细铣削运动学特性,建立二维振动辅助微细铣削的瞬时切削厚度模型。利用Matlab软件对铝合金Al 6061的切削力进行仿真研究,分别得到了振幅与振动频率作用下的x向与y向切削力曲线。4.基于现有的微细铣削系统,对非谐振式二维振动辅助微细铣削系统进行搭建。以铝合金Al 6061为试验对象,使用优化后的非谐振式二维柔顺振动平台为工件提供激振,配合2刃平头立铣刀进行非谐振式二维振动辅助铣削试验,分别分析振幅与振动频率对切削力的影响规律。通过对比仿真与试验得到的切削力曲线,验证了提出的二维振动辅助微细铣削切削力模型的正确性与可行性。
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