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微细切削加工技术的基础研究-终稿- 中国石油大学(北京)现代远程教育毕业设计(论文).doc

  • 上传人:奥****文
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    1、 中国石油大学(北京)现代远程教育毕 业 设 计(论文)微细切削加工技术的基础研究姓 名: 学 号: 性 别: 专 业: 机械设计制造及其自动化年 级: 学习中心: 指导教师: 2022年3月31日中国石油大学(北京)现代远程教育毕业设计(论文)微细切削加工技术的基础研究摘 要微细加工是一种制造精密仪器的加工技术,可以制造微米级或更小的微型结构,并在加工过程中对精度的要求和尺度的把握都非常苛刻,涉及到的工艺程序有光刻、车削、铣削等。实现微细加工技术中微型零件能够量产的技术手段由微细切削技术来支撑。在传统的切削加工技术理论和实践的发展延伸下,微细切削加工技术在此基础上进行拓展。本文以微细切削加工。

    2、技术的基础研究为课题,着重分析阐述尺寸效应、位错机理以及微细切削的实验,通过文献资料法和实验法进行叙述,在掌握国内外微细切削加工技术发展过程与现状之后,对我国我国微细切削加工技术的发展分析优劣势,通过对文中微细切削中的尺度效应影响及其位错机理,和微细切削实验研究,提升我国的精密加工技术的生产制造力和竞争力,促进微细切削加工技术进一步发展。关键词:研究意义;尺寸效应;位错机理;实验研究目 录第一章 前 言11.1课题研究的意义11.2国内外目前现状11.3存在的问题和发展方向2第二章 微细切削中的尺寸效应影响及其位错机理分析42.1 微细切削中的尺寸效应42.2 微细切削中的尺寸效应的位错理论分。

    3、析52.3 最小切削厚度6第三章 微细切削实验研究83.1 微细加工切削力实验83.2 微细加工表面粗糙度实验10第四章 结 论12参考文献11致 谢12ii中国石油大学(北京)现代远程教育毕业设计(论文)第一章 前 言1.1课题研究的意义我国的机械加工制造业随着科技的发展,使得精细加工技术的适用性越来越强。在精密仪器加工的高精度要求、材料复杂多样、微形状和微余量的各种材料加工中,微细加工技术可以得以应用实现。在一些新兴技术的制造领域,精密和精细的科技产品也需要微细加工来进行生产,这一技术的发展可以提高我国高科技产品的竞争力一级制造业的更新迭代。微细切作为实用化和工业化的加工手段,拥有其它精细。

    4、加工方法的优点。第一,维系切削加工的生产规模具有很强的适应性。不仅可以大规模大量生产,也可以单独加工某一件产品。那个可以灵活地根据不同产品的生产条件制定生产计划。其次,可以完成复杂的三维结构的处理。通过具有不同形状和自由可编程工具和工作台的加工动作任意形状的结构,几乎可以加工。另外,微细切削可以加工大范围的材料,并且可以减少由于材料的晶体方向限制所产生的材料在加工过程受到的影响,因此适用于微机械的各种要求。此外,微细切割在机床操作过程中可以持续性、灵活性的一直进行加工操作,不需要来回进行工具的更换。即使机床连接到电脑上,也可以自动处理零件的数量。最后,微细加工具有单位时间的大切削量,高加工效率。

    5、和高精度。因此,为了适应微细加工的高效,灵活性和自动化特性,完成精细加工的复杂三维结构的加工,非常有必要加强关于微细切削的研究。1.2国内外目前现状上世界九十年代,一些科技力量雄厚的发达国家把微细加工技术应用到制造业当中,投入大量人力、财力对微细切削加工的机理进行研究,在研究发展的过程中,设立研发机构进行科学实验与工厂应用,达到在保证精密、准确的要求下还可以实现量产,带动了全球范围内的研究热潮。我国也在此影响下,大力发展具有本国特色的微细加工技术及产品。我国有众多的劳动力人口,制造业的优势从“人”渐渐转移到“材”方面,微细切削加工技术在专家学者的开发和工厂的应用中,科技性和含金量也越来越高。我。

    6、国的广大研究者对微细切削加工技术进行了理论是实验的各种研究,天津大学的林滨老师应用分子动力学研究超精密磨削过程,解释了微观材料去除和表面形成机理;郭斌老师利用分子动力学模拟微观尺度上的单晶铜弯曲裂纹萌生和扩展过程,认为空位的合并形成纳米级裂纹,裂纹缺陷促进了裂纹的萌生和扩展;哈尔滨工业大学董申老师采用分子动力学三维模型研究单晶铜纳米切削过程,通过理论分析与实验结果表明得出单晶铜纳米切削过程是位错在晶体中运动产生的塑性变型,塑性变型包含微观和内部结构的材料异变,这是变型的原因;哈尔滨工业大学王洪祥老师研究了车削切屑形成过程,对不同材料种类和切削条件在切屑形成过程中的影响规律进行了分析。虽然我国现。

    7、在的微细切削技术还没有广泛应用到实际生产当中去,但这些前辈们的理论分析和实验研究促进了微细切削加工技术在我国的快速发展和应用。发到国家的工业发展比国内发达,微细切削加工技术技术的应用比国内的更加完善,他们的研究也会比我们的更加超前一些。美国桑迪亚国家实验室制备出了微细立铣刀、微细槽和螺纹加工刀具;日本实施切削技术实现了在自由曲面上的微细加工。国外的研究方式通过建立分子动力学模拟、有限元模型和多尺度模拟模型来实现对微细切削加工技术的研究,由此可见,微细切削加工技术是全球范围内的研究课题。通过这三种手段,模型预测的稳定积屑瘤和剪切变形区的形状与实验观察到的情况非常相似。像英国、美国、日本、德国等工。

    8、业发达国家的理论知识和技术研究都已经非常成熟和完善。1.3存在的问题和发展方向考虑到我国与发达国家在微细切削加工的开发与应用技术的参差不同,在考虑本国工业发展的实际情况下可以在其他几个方面进行研究:(1)微细切削加工中使用的刀具好坏严重影响加工工艺和加工机理,如果想在微细的制造要求下大批量的生产所需产品,首要解决刀具精细度生物要求。(2)微细切削加工中的不稳定状态,也会影响精细度,加强对工艺稳定性和振动的研究。(3)国外常用的多尺度模拟模型要与本国的微细切削加工技术进行融合,不要照搬照用,反而损伤仪器。(4)加大对最小切削厚度值的研究,在现有的条件下更高的理论和技术来进行研发。(5)物质面积/。

    9、体积比的改变,对表面生成过程和表面特性会产生不同的影响来进行研究。(6)加强对耕犁作用变化而导致亚表面损伤的研究。3第二章 微细切削中的尺寸效应影响及其位错机理分析2.1 微细切削中的尺寸效应 微细切削技术不仅可以减小一般加工空间和加工空间的加工误差,而且可以减小微加工技术中的加工误差。更重要的是,如果加工尺寸发生变化,零件材料本身的物理特性以及对环境变化的响应也将不同。这是微细切削的独特理论基础。微小零件的物理量和测量呈现出不同于传统机械在微小状态下的独特规律。在微切削过程中,浮力与表面力之间的相对关系发生变化。在不可测量的条件下,摩擦的机理与宏观世界的表现截然不同。这种微观条件下的现象称之。

    10、为微细切削的尺度效应。我们可以把微细切削中的尺度效应分为三种,从物理学角度考虑,在切削加工的尺寸减小到一定的程度之后,尺寸接近于微观,但是所用的刀具和加工的材料之间仍然有摩擦力,两个接触面之间在切削过程产生的摩擦力会远远超过切削本身对加工材料产生的切削力,这种效应对加工材料的影响是非常深邃的,所以在微细切削加工中更应该关注刀具与材料的表面力。第二种是在切削加工的过程中,刀具和加工的材料之间因为摩擦而产生了热能,两个接触面的表面积大小比较集中,热能只能集中在这里,高度的热能降低了切削力,可以通过改变刀具的一些切割角度来减少切割摩擦产生的热能,提高切削的质量。从材料学角度来看,加工材料的材质、物理。

    11、性质、内部结构这些都对微细加工产生影响,微观结构的尺寸在微细加工的过程中需要考虑晶体内部的移动、缺陷、增大等对切削力的大小都有影响。尺度效应是微型机械系统中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要的原因,它的主要特征有材料的物理特性的变化、在传统理论中常常被忽略了的表面力将起主导作用、微摩擦机制对尺度的依赖性。这些影响因素的存在对微细切削加工技术的发展产生了巨大的阻碍。2.2 微细切削中的尺寸效应的位错理论分析位错是指材料晶体中存在的一种具有特殊结构内部缺陷,在进行微细切削时,由于工件尺寸微小,从强度、刚度上都不允许采用较大的切削深度和进给量,同时为保证工件尺寸精度的要求,最终精加工的表面切除。

    12、层厚度必须小于其精度值,因此切削用量必须很小,由此引入位错理论是十分必要的,位错主要是用来解释材料发生塑性变形的理论。对加工材料进行切削加工致使内部的晶体发生错位、微裂纹生成以及裂纹扩展的过程称之为位错理论。切削过程是材料晶体中的位错过程。位错运动引起晶体结构的变化。随着塑性变形的进行,晶体中的位错运动越来越难,晶体中的内部应力防止它继续滑动。根据塑性变形之前的材料断裂大小,断裂区可以分为两个基本形状:脆性和塑料,由于脆性材料,断裂是弹性变形的结束,而由于塑料材料,断裂是塑性变形的结束。不考虑晶体内部的微观结构,从宏观角度出发,假设在切削过程中,切削的刀具连续均匀的进行操作,也容易发生位错的情。

    13、况,在微细切削过程中,刀具的切削范围与加工材料的横切面相比过小时,晶体的内部结构可以看做是切割加工的不连贯和移动造成的。在微细切削领域,利用位错理论研究微细切削,位错需要在力的作用下产生的塑性变型、微裂纹和切屑形成三个阶段。塑性变型是在切削过程的初期产生的,是微观物理结构的变化,结构变型的逐渐增加导致晶体的硬化,这两种加工过程出现的现象都是位错运动的结果。初期的塑性变形和加工硬化的增强会导致晶体出现微小裂纹。晶体塑性变型与剪切弹性、错圈个数、晶体间距、切应变、滑移线平均长度都相关,公式为:图2-1 晶体塑型公式有相关研究发现,在最简单的裂纹源模式下,位错塞积群的上部的应力集中在塞积群上处导致几。

    14、个位错的聚集并形成裂纹源。在外部剪切应力的作用下,从位错源移动的位错遇到强的可锁定障碍并形成插头组。由位错堆叠引起的最大拉伸应力在特定角度起作用。当上层错位层叠达到足够数量时,顶部的错位被强制尽可能接近。在接近原子间隔的情况下,形成大的错位,使得几个原子面厚度的楔子插入到解理面之间。为了缓解应力,随后的位错连续进入解理面之间,并增加楔形厚度,直到形成裂纹。图2-2 晶体加工硬化曲线2.3 最小切削厚度最小切屑厚度的概念是切削深度必须要比某个临界切屑厚度大,只有这样切屑才会形成,在机床操作的最佳状态时,使用合适的工具,比如具有锋利特性的金刚石刀具,可以连续均匀的对材料进行切削。在操作过程中可以连。

    15、续均匀切削出最小的切削厚度的材料我们称之为最小切削厚度微细切削可以达到的最小切削厚度与金刚石刀具刃口的圆弧半径、被切材料的物理力学性能相关。在微细切削材料的过程中加工中,最小切削厚度的弹性恢复非常快,这个恢复的速度对刀具的影响也非常重要,假设最小切屑厚度高于切削深度,不会出现切屑现象,只有切削层的弹性变型,既实现不了微细切削,也因切削影响了加工精度。当切削深度和最小切屑厚度相近时,不仅出现了切屑,还存在一些弹性变型,此时的弹性变形和塑性变形同时作用在切削材料上。当最小切屑厚度小于切削深度时,切屑现象仍然存在,但是弹性变型减少,塑性变形增加。在微细切削加工前需确定最小切屑厚度,因为切屑变形依赖于最小切屑厚度,而最小切屑厚度又依赖刀具刃口的圆弧半径和工件材料的物理力学性能。在传统的切削方式中,老式的切削刀具进行切削时,一般不会使用刀尖的位置,就会忽略刀尖的圆弧半径对切削的影响,但现在高精密仪器的使用,切削刀具的刀尖圆弧半径和加工材料的切削厚度非常相近,就需要由刀尖来进行切削操作。但是,即使在知道刀具刃口圆弧半径的情况下也很难在加工过程中测量到最小切屑厚度,目前对最小切屑厚度的预估一般采用两种方法:有限元分析或者试验预测,但是这两种方法都有很大的局限性。所以测量最小切屑厚度的方法仍值得做进一步的研究。第三章 微细切削实验研究3.1 微。

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