微细切削技术

前言

第1章 绪论

1.1 微细切削技术的背景

1.2 微细切削技术发展现状

1.2.1 微小型机床的研究和发展现状

1.2.2 微小型刀具的研究和发展现状

1.2.3 微细切削的试验、建模分析与理论研究概况

1.2.4 微细切削的工艺研究及代表性成果

第2章 微细切削区别于常规尺度切削的基础理论

2.1 概述

2.2 微细切削中的尺度效应

2.2.1 尺度效应的概念

2.2.2 微细切削中尺度效应的作用

2.3 微细切削中的位错理论

2.3.1 工件材料中的位错缺陷

2.3.2 位错理论的提出

2.3.3 微细切削过程的位错理论分析

2.4 非自由切削的定义及最小能量耗散理论

2.4.1 非自由切削的定义

2.4.2 最小能量耗散原理的定义

2.4.3 单元刀具切削下的最小能量耗散原理

2.4.4 最小能量耗散原理的相关检验

2.5 微细切削中的非自由切削

2.5.1 单切削刃刀具的等效切削刃和排屑角

2.5.2 考虑刀尖圆弧半径的等效切削刃和排屑角

2.5.3 非自由度系数及自由切削法

2.6 小结

第3章 微细切削模型的建立与研究

3.1 概述

3.2 微细切削的最小切削厚度

3.2 切削刃弹性回退量的计算

3.2.2 最小切削厚度的范围

3.2.3 最小切削厚度时刀具的负前角及切削力

3.3 微细切削模型的建立

3.3.1 微细切削的切削变形区

3.3.2 微细切削的切削力计算

3.3.3 微细切削的切削力分析

3.4 切削力验证试验

3.5 小结

第4章 微细切削刀具

4.1 概述

4.2 微小型刀具的基本特点

4.3 微细切削刀具材料

4.4 微小型成形车刀

4.4.1 微小型零件的成形车削

4.4.2 微小型成形车刀的设计

4.4.3 微小型成形车刀的应用

4.5 微小型切槽刀

4.6 微小型齿轮成形铣刀

4.6.1 微成形铣削齿轮零件

4.6.2 微小型齿轮铣刀主要结构参数设计

4.6.3 微小型齿轮铣刀齿形的设计计算

4.6.4 微小型齿轮铣刀的制造

4.7 微小型齿轮滚刀

4.7.1 微小型齿轮目标零件

4.7.2 微小型齿轮滚刀结构设计

4.7.3 微小型齿轮滚刀齿形设计与局部结构强度校核

4.7.4 微小型齿轮滚刀的加工

4.8 小结

第5章 典型微小型零件的微细切削工艺研究

5.1 概述

5.2 微细切削加工设备及刀具系统配置

5.3 典型微小型结构件的特点及工艺要求

5.3.1 微小型结构件的特点

5.3.2 微小型结构件的工艺要求

5.4 微小型轴类零件的加工工艺研究

5.4.1 微细轴的车削加工

5.4.2 微细轴的车铣加工

5.4.3 车铣与车削工艺的对比分析

5.5 微小型板类零件的加工工艺研究

5.6 微小型齿轮的加工工艺研究

5.6.1 微小型齿轮加工工艺综述

5.6.2 微小型齿轮的成形铣削加工

5.6.3 微小型齿轮的滚削加工

5.6.4 微小型齿轮的加工工艺对比与总结

5.7 微小型三维结构件的加工工艺研究

5.8 小结

第6章 微细切削的表面粗糙度试验研究

6.1 概述

6.2 试验设计方法概述

6.2.1 单因素试验设计

6.2.2 正交试验设计

6.2.3 响应曲面试验设计

6.3 试验设备与测量仪器

6.4 微细车削表面粗糙度研究

6.4.1 微细车削的理论表面粗糙度

6.4.2 微细车削表面粗糙度的单因素试验

6.4.3 基于正交试验方法的微细车削表面粗糙度试验

6.5 微细铣削表面粗糙度研究

6.5.1 微细铣削表面粗糙度的两种预测模型

6.5.2 微细铣削表面粗糙度的两种试验方案

6.5.3 微细铣削表面粗糙度的试验结果分析

6.6 微细车铣钛合金的表面粗糙度试验研究

6.6.1 微细正交车铣的理论表面粗糙度

6.6.2 基于二次响应曲面法的微细正交车铣表面粗糙度试验

6.6.3 微细正交车铣表面粗糙度试验结果分析

6.7 小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

《微细切削技术》是在作者对微细切削技术多年的理论和试验研究基础上写成的。全书共分七章。其中，第1章主要介绍了微细切削技术的研究背景和研究现状；第2章阐述了微细切削区别于常规尺度切削的基础理论，并介绍了微细切削的理论特点；第3章为微细切削模型的建立与研究，主要探讨了微细切削的最小厚度现象以及正交切削模型的相关理论和计算，并进行了相关试验；第4章针对微细切削刀具，总结了微细切削刀具的材料及特点，进行了微成形车刀、铣刀、切槽刀和微小型齿轮滚刀的设计和试验；第5章为典型微小型零件的微细切削工艺研究，总结了微小型结构件的典型特点和工艺要求，按照轴类、板类、齿轮、三维结构件进行分类研究和试验；第6章是微细切削的表面粗糙度试验研究，分别采用单因素、正交和二次曲面响应方法进行了微细车削、铣削、车铣的对比试验研究；第7章对微细切削技术进行了总结与展望。《微细切削技术》主要供有关从事微细切削技术、微小型加工技术、精密制造技术的研究人员参考。

微细切削刀具作为发展微细切削和微小型系统的基础性关键技术，是目前国内外微细加工技术领域的研究热点。（1）本申请拟在深入揭示微细切削刀具作用机制与失效机理的基础上，结合金属材料结构件微细切削工艺中大量采用的微细铣刀、钻头和车铣刀的设计与制造，开展系统的刀具几何结构设计理论与方法，动平衡设计理论与方法，刀具材料适配性选择，精密磨削、聚焦离子束铣削与超短激光刻蚀成形，刀具定位强化与减摩改性技术研究。（2）拟从理论上阐明非自由微细切削机理、刀具作用微区的微分几何设计原理、刀具几何结构及其动力学和热力学分析、刀具摩擦学与界面电物理电化学设计理论等关键科学问题。（3）拟提出一种基于刃口局部强度和排屑规划的微细准自由切削刀具设计理论，以及微铣钻刀具变频磁脉冲定位强化处理技术，建立适用于微细切削刀具的设计理论与制造工艺规范，为开发形成具有我国自主知识产权的微细切削刀具技术提供系统的基础理论依据和方法指导。

微细切削刀具作为发展微细切削和微小型系统的基础性关键技术，是目前国内外微细加工技术领域的研究热点。本项目在深入揭示微细切削刀具作用机制与失效机理的基础上，结合金属材料结构件微细切削工艺中大量采用的微细铣刀、钻头的设计与制造，开展了系统的刀具材料适配性选择，刀具几何结构设计理论与方法，动平衡设计理论与方法，精密磨削和聚焦离子束铣削成形，刀具定位强化与减摩改性技术研究。从理论上阐明了非自由微细切削机理、刀具作用微区的微分几何设计原理、刀具几何结构及其动力学分析、刀具摩擦学与界面电物理电化学设计理论等关键科学问题。提出一种基于刃口局部强度和排屑规划的微细准自由切削刀具设计理论，以及微铣钻刀具变频磁脉冲定位强化处理技术，建立了适用于微细切削刀具的设计理论与制造工艺，为开发形成具有我国自主知识产权的微细切削刀具技术提供了系统的基础理论依据和方法指导。

本研究以国防工业、宇航工业用微小型结构件加工为应用背景，系统开展微细切削毛刺形成及控制技术研究，主要研究工作及创新性成果为： 1. 基于切削实验，系统揭示出毛刺形成与变化基本规律 在瑞士产五轴加工中心（Mikron UCP800Duro）上，选用硬质合金微细立铣刀切削6061锻铝和铝合金AlSi9Cu3等，研究了切削用量、刀具几何参数、刀面形态等对毛刺形成与变化的影响，发现了毛刺与亏缺形成经历的5个阶段，揭示出毛刺形成与变化的规律。 2.建立微细毛刺形成模型，初步实现了毛刺形成的预报 利用Johnson-Cook (J- C) 强度理论，描述出工件材料Al2024-T6从低应变率到高应变率下的动态行为，进而给出了其高应力、大应变及高温度场条件下的本构关系。采用网格自适应（Arbitrary lagrangian eulerian, ALE）技术对毛刺形成进行模拟，仿真结果与实际加工基本吻合，实现了微细铣削毛刺形成的预报。 3.基于刀具参数和切削路径优化，开发出主动控制毛刺技术 根据微细切削实验与分析，阐述了主动控制毛刺的精度原则、效率原则和位置原则，提出了改进零件结构设计、调整刀具参数、优化加工工艺和切削路径等主动控制毛刺的技术和方法，为实现少无毛刺加工开辟了途径。 4.制定毛刺评价标准（草案），填补了我国制造技术空白 在汲取德国、美国和日本等国标准或规范合理内核的基础上，参照现代机械加工零件表面质量的要求，将毛刺精度分为12级，采用毛刺高度和厚度两个参数综合评价毛刺。依托国家刀具检测技术中心，提出了“切削加工毛刺检测方法”和“毛刺评价方法”2个国家标准(草案) ，填补了我国制造技术的空白。 5.初步构建了基于网络的微细毛刺专家知识系统 基于ASP.NET平台，初步搭建出网络化毛刺专家知识系统，开发出由微细毛刺质量知识库、数据库和规则库组成的毛刺知识专家系统，搭建出毛刺理论研究与工程应用的对接平台，为实现主动控制毛刺提供了技术支撑。 本研究初步建立了微细加工毛刺形成与控制理论，圆满完成了课题研究计划确定的各项任务。