微細(xì)銑削畢業(yè)論文開題報告格式資料doc

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)論文開題報告學(xué) 生 姓 名:劉拂曉學(xué) 號:0702014433學(xué) 院系:機械工程與自動化學(xué)院 機械工程系專 業(yè):機械設(shè)計制造及其自動化論 文 題 目:微切削力模型及模擬仿真研究指導(dǎo)教師:武文革 教授 2011年 3 月 10 日畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告1.結(jié)合畢業(yè)論文情況,根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料,撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述:文 獻(xiàn) 綜 述一.什么是微切削加工技術(shù)微切削是一種快速且低成本的微小零件機械加工方式,而且不受材料的限制1,使CNC加工中心可實現(xiàn)2D215D 簡單特征到復(fù)雜3D曲面零件的微加工 ,通過使用此法加工出的微小模具可達(dá)到批量生產(chǎn)的目的二.微切削的加工范

2、疇(1) 微切削指加工尺寸在1mm以下精度為0.010.001mm零件的切削加工(2) T.MasuzaWa定義微切削為切削厚度小于999um的切削過程2試驗中他把切削厚度選擇在1200um(3) 國際生產(chǎn)工程協(xié)會CIRP物理化學(xué)科學(xué)制造過程會議把加工尺度定義在1500um3(4) A. Simoneau認(rèn)為微切削定義應(yīng)從切削特點上真正反映微切削與宏觀切削的分別,尺度效應(yīng)的出現(xiàn)4(5) Subbiah.S認(rèn)為微切削是以下三種情況下的微量材料去除過程:一是微小產(chǎn)品及部件的加工過程;二是制造大型工件上的微小復(fù)雜結(jié)構(gòu);三是在大型工件上制造精密的光滑表面因此微切削并不完全需要微小尺寸的刀具,用宏觀切削

3、中的刀具也可以做到微切削5三.微切削影響因素(1) 尺寸效應(yīng)與宏觀切削不同,對于微細(xì)切削來講,切削力與切削能量都會隨著材料的去處量的減少而減少,中外很多者都對此進(jìn)行了大量的實驗驗證,此外當(dāng)微切削進(jìn)給量減少到微米級別時, 切削力會出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象, 此類現(xiàn)象歸結(jié)為微納尺度切削中的尺寸效應(yīng)與常規(guī)尺度切削相比, 微細(xì)切削時, 刀具前刀面參與切削的面積減小, 刀刃附近區(qū)域?qū)⒊袚?dān)主要的材料去除工作, 此時刀具刃口半徑對于切削變形和材料去除的影響不容忽視; Vogler與 K i m等人6-7通過實驗驗證了最小切削厚度對切削厚度堆積的影響,他們發(fā)現(xiàn)在微細(xì)加工中,當(dāng)進(jìn)給量小于切削厚度時, 刀具經(jīng)過工件,

4、工件表面僅發(fā)生彈性變形, 而不是常規(guī)的切削, 隨著切削進(jìn)給量的增加,當(dāng)?shù)毒叩度邪霃脚c切削進(jìn)給量大小相當(dāng)時刀具在工件表面產(chǎn)生耕切現(xiàn)象, 此時工件產(chǎn)生彈塑性變形;當(dāng)進(jìn)給量增大到遠(yuǎn)大于刀具刀刃半徑時, 此時刀具在切削中可視為鋒利(2) 切削速度很多學(xué)者都在微細(xì)切削實驗中采用高速鋼 硬質(zhì)合金或者金剛石材料刀具對工件進(jìn)行切削,硬質(zhì)合金刀具硬度高, 切削力較小,但成本較高速鋼高出很多,較前兩者來說金剛石刀具切削最為鋒利除去切削液消除積屑瘤對微細(xì)切削的影響, 這幾種刀具在不同切削速度下反應(yīng)出切削力的規(guī)律也是不一樣的G. Bissacco等人8通過大量實驗發(fā)現(xiàn)由于前刀面的切削區(qū)域的變形及摩擦在整個切削中所占的

5、比例較小,導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具與高速鋼刀具在切削時,切削速度對切削力影響并不明顯; 同時由于兩種材料的刀具刀刃半徑較金剛石刀具大, 刃口圓弧部分對加工面所產(chǎn)生的擠壓所占的比例較大, 從而使得切削速度對切削力的影響更小, 所以高速鋼與硬質(zhì)合金刀具用于微細(xì)切削時,切削速度對切削力的影響并不明顯金剛石刀具刀刃半徑較硬質(zhì)合金和高速鋼刀具小很多, S . S . Joshi等人9通過實驗發(fā)現(xiàn)金剛石刀具隨著切削速度的增加切削力下降, 且切削速度對于切削力的影響取決于最小切削厚度與刀具刀刃半徑的比值(3) 主軸轉(zhuǎn)速 微細(xì)加工中,主軸轉(zhuǎn)速對于微切削的影響也是不可忽視的Ya zhou Sun , Qing xin

6、, Meng等人10通過大量實驗,發(fā)現(xiàn)在微細(xì)切削中主軸轉(zhuǎn)速對于切削力的影響是有一定規(guī)律的四.國外研究現(xiàn)狀(1)銑削力模型W. Y . Bao和 I . N. Tansel11提出了考慮到刀具跳動情況下的微細(xì)銑切削力解析模型由于在每齒進(jìn)給量與切削刃半徑的比率很大時,與傳統(tǒng)切削力模型12對切屑厚度所作的假設(shè)變化很大,因此他們在這個模型的基礎(chǔ)上,改變切屑厚度的計算方法,即根據(jù)刀尖軌跡來估計切削厚度值,從而使得切削力模型更加精確其提出的切削力表達(dá)式用到8個參量如主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)給量切入切出角等,和一個與刀具和工件有關(guān)的材料系數(shù) ,該系數(shù)需要進(jìn)行實驗才能確定通過廣泛實驗得出預(yù)測切削力與實驗測得切削力的平均誤差

7、在10%左右G . Newby等人13考慮到切削刃軌跡對切屑厚度的影響 ,他們在 Bao 和Tansel11的基礎(chǔ)上建立切削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ?,不同的是他們又進(jìn)一步分解實驗測得的切削力 Fx 和 Fy ,將從中提取出的切削系數(shù)代入表達(dá)式,該公式即被用來計算經(jīng)驗公式中主要切削系數(shù) KtKr , c通過實驗 , G . Newby等人又發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律:(1) 切削力Fx和Fy 隨著切屑厚度的增大而增大,這是由于切削力Ft和Fr都與每齒進(jìn)給量成比例(2) 與傳統(tǒng)銑削相比,微細(xì)銑過程中系數(shù)Kt和Kr曲線的幅值兩者相當(dāng),但后者的 Kt曲率要更大,且Kr曲線向下凹,而傳統(tǒng)銑削系數(shù)Kr曲線向上凹(3) 與傳統(tǒng)慣例

8、不同的是,微細(xì)銑過程中徑向力對刀具磨損和破損的預(yù)測起著至關(guān)重要的作用G . B issacco等人14改進(jìn)了統(tǒng)一力學(xué)切削方法15,建立了在微細(xì)銑削下的切削力模型該模型預(yù)測的切削力與測得的切削力大小基本保持一直此外 ,還發(fā)現(xiàn)由于刀具跳動引起的不平衡切削力可以在徑向通過刀具撓度來補償Michael P . Vogler等人16開發(fā)了在加工非均勻材料時不同階段的微立銑過程的機理模型研究表明切削力信號中的用運動學(xué)無法解釋的高頻信號可以用材料的多向來解釋(2) 微細(xì)銑刀及其涂層在微細(xì)銑削中 ,刀具是影響加工精度的重要參數(shù) ,具體表現(xiàn)在以下幾個方面: 刀具熱變形造成的誤差 刀具受力變形造成的誤差 刀具表面

9、粗糙度刀具材料本身與工件間的親和力造成的誤差 刀具磨損引起的加工誤差等為了提高刀具的壽命,早在 1997年 I . Tansel等人17就已經(jīng)提出了采用智能工件夾持器來延長刀具壽命這個智能工件夾具可以監(jiān)控切削力,當(dāng)它預(yù)測到刀具有破損的可能時,減小金屬去除率反饋信息是用一個壓電驅(qū)動器朝進(jìn)給相反方向做一個快速的移動,從而來減少進(jìn)給率該系統(tǒng)用低碳鋼和鋁工件來測試基于實驗結(jié)果,能預(yù)測到高達(dá) 50%的刀具破損案例,刀具的壽命能延長30%以上在對微細(xì)銑刀具涂層的方面 ,主要的研究內(nèi)容是不同涂層材料對刀具磨損和加工表面粗糙度的作用Patrick J . Heaney等人18用了金剛石涂層刀具在對鋁進(jìn)行干式微

10、細(xì)銑削 ,發(fā)現(xiàn)金剛石涂層能極大地增強在微米級尺寸下切削刀具的性能對比實驗結(jié)果顯示涂層刀具磨損和破損更小 ,刀具上的鋁粘附更少 ,而且切削力極大地降低涂層刀具的性能改良主要因為是細(xì)晶粒金剛石相比鋁要有出眾的摩擦學(xué)性能 ,尤其是低摩擦低黏附以及低磨損薄膜由于涂層允許加工時不添加潤滑劑 ,且基本上消除了金屬毛刺 ,這個方法能減少微切削過程中的環(huán)境影響 ,從而能在微觀和中間尺度制造應(yīng)用中極大地提高性能(3) 微銑削刀具狀態(tài)監(jiān)控考慮到微銑刀具的尺寸效應(yīng) ,佛羅里達(dá)國際大學(xué)的 I . Tansel等人19對微銑削中的刀具磨損作了新的定義:刀具材料的損失,刀具表面小顆粒工件材料的沉積或是刀具撓度形狀的變化等

11、并且對刀具破損原因進(jìn)行分類: 切屑的堵塞超過刀具所能忍受的應(yīng)力值而在短時間內(nèi)產(chǎn)生刀具破損 ,其中高速鋼刀具比硬質(zhì)合金刀具更能容忍切屑堵塞 磨損的結(jié)果導(dǎo)致的應(yīng)力值超過正常水平,刀具轉(zhuǎn)動時應(yīng)力分布不斷變化,在長時間的疲勞磨損后,刀具最終破損,軟和脆材料如石墨電極是這種形式 當(dāng)切削刃部分破壞或是工件材料小顆粒粘接在刀刃后 ,進(jìn)給方向切削力持續(xù)增加直到刀具破損文獻(xiàn)通過對進(jìn)給向力靜態(tài)部分的變化,在小波分析下建立了刀具狀態(tài)監(jiān)控模型在建立基于切削力的刀具狀態(tài)模型時,由于微銑削產(chǎn)生的切削力一般都很小且包含機械振動產(chǎn)生的噪聲,影響了模型的精確度而 AE聲發(fā)射傳感器相比更容易安裝,且具有高靈敏度通常有兩種形式來解

12、釋 AE信號的產(chǎn)生其中一種解釋是指在切削過程中劇烈變化的應(yīng)變能產(chǎn)生彈性應(yīng)力波,該波到達(dá)材料表面時被壓電傳感器捕獲應(yīng)變能產(chǎn)生的源頭有多種形式,靠近切削刃部分的剪切帶的塑性變形,刀齒前刀面和切屑的摩擦,齒根面與加工后工件表面之間的摩擦以及切屑破裂和纏結(jié)也會產(chǎn)生應(yīng)變能等I . Tansel等人20又考慮到有效的 AE信號一般在 20 kHz以上 ,就需要解決數(shù)據(jù)量大的問題 ,采用兩階段采集處理首先設(shè)置采樣頻率高于一般機床結(jié)構(gòu)振動頻率 (01 kHz)的 40 kHz,得到模擬量信號;然后再低通過濾 ,AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號用于數(shù)學(xué)處理在檢測刀具破損時 ,由于刀具在開始加工工件 ,增加切深以及離開工件表面

13、時 AE都有相應(yīng)變化 ,建立了響應(yīng)這些變化的水平來判斷;在刀具磨損判別時 ,作者運用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ART2) ,但是沒有就規(guī)則作具體的解釋實驗發(fā)現(xiàn) ,刀具磨損的初期難以與新刀作區(qū)別 ,磨損后期到破損這一段信號變化明顯 ,更易檢測佛羅里達(dá)國際大學(xué)的學(xué)者 W. Y . Bao和 I . N.Tansel21在基于切削力模型的基礎(chǔ)上提煉出新的表達(dá)式來估計刀具剩余壽命 ,用遺傳規(guī)則得到模型參量 ,相比之前他們用 AE方法的一個優(yōu)點是 ,不需要進(jìn)行廣泛的實驗結(jié)合美國的空氣力學(xué)研究實驗室的專家 ,佛羅里達(dá)國際大學(xué)的專家在原先研究發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上又開發(fā)了遺傳刀具監(jiān)控系統(tǒng)22他們總結(jié)出 ,傳統(tǒng)的監(jiān)控首先往往在不同

14、刀具狀態(tài)下通過傳感器獲得的信號來設(shè)定刀具磨損水平 ,然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能規(guī)則來計算評估但是要使得這些方法有效執(zhí)行 ,則需要實際切削加工要素如主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給量 切深等與測試狀態(tài)下相近才行他們開發(fā)的基于切削力的模型對切削參數(shù)的改變更加具有魯棒性 ,即使先前沒有訓(xùn)練的信號也能正確評估刀具狀態(tài) ,不足之處就是計算時間的增大以及精度的降低 ,使得在線監(jiān)控系統(tǒng)的運用受到了一些限制此外 ,在2008年,又有新加坡的學(xué)者開發(fā)出用隱形馬爾可夫模型監(jiān)控微銑削刀具狀態(tài)的系統(tǒng)23正是由于馬爾可夫模型的快速識別性的特點 ,使得其模型對噪聲的魯棒性較好 ,通過實驗發(fā)現(xiàn) ,對刀具狀態(tài)的識別達(dá)到了較高的水平五.本課題研究的意

15、義隨著航空航天現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等科技的發(fā)展和人們生活水平的提高, 對微小裝置及零件的需求也日益迫切目前用于小型化的制造主要是微機電系統(tǒng)技術(shù), 它是由半導(dǎo)體制造工藝發(fā)展而工藝方法, 但是存在加工材料單一僅能制作平面微機械零件等局限微細(xì)切削加工技術(shù)則很好地彌補了M EMS技術(shù)的不足, 它具有高效率高柔性能加工多種材料和任意復(fù)雜三維形狀等的特點在現(xiàn)代制造技術(shù)領(lǐng)域中,微細(xì)加工技術(shù)占有極為重要的位置它不僅是制造高新技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù),而且也是取得國際競爭優(yōu)勢的重要技術(shù)之一它的開發(fā)與應(yīng)用使微電子工業(yè)汽車工業(yè)航空航天生物醫(yī)學(xué)工程計算機精密儀器光學(xué)移動通信醫(yī)療器械和工業(yè)自動化等行業(yè)發(fā)生了重大變革自20世紀(jì)末期以來,美

16、國日本德國英國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家十分重視發(fā)展微細(xì)加工技術(shù),紛紛投入了相當(dāng)數(shù)量的財力和人力,確定發(fā)展戰(zhàn)略,制訂長遠(yuǎn)規(guī)劃,設(shè)立專門的研究機構(gòu),使微細(xì)加工技術(shù)迅速發(fā)展,現(xiàn)已初步形成了具有特色的微細(xì)加工技術(shù)及微型產(chǎn)品制造業(yè)我國也投入了一定的力量進(jìn)行了開發(fā)及研制,目前處于研發(fā)階段因此,此課題的研究對于我國制造業(yè),特別是微小零件加工制造方面有著不可替代的意義同時,對于自身而言,可以通過此次畢業(yè)設(shè)計提高自己綜合運用所學(xué)知識的能力;提高自身綜合運用所查資料的能力;提高自己自我研究問題的能力參考文獻(xiàn):1ChaeJ , ParkS and Freiheit T. Investigation of microcutti

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30、 (1) 分析微切削的特點,了解現(xiàn)有微切削加工的切削力模型因為微切削的切削用量在微米級,接近于材料的晶粒尺度,且不能忽略切削刃半徑的影響,所以微切削的切削機理與宏觀顯著不同,表現(xiàn)在微切削過程中出現(xiàn)的尺度效脆塑轉(zhuǎn)換 犁耕效應(yīng)等現(xiàn)象,宏觀中的切削力模型不適用于微觀 應(yīng)變梯度理論的發(fā)展為此問題提供了很好的解決方案 從位錯密度出發(fā),基于應(yīng)變梯度理論建立了正交微切削力的預(yù)測模型在正交微切削中主切削力基本是大于進(jìn)給力的;當(dāng)在相同切削速度時,進(jìn)給量越小時,主切削力和進(jìn)給力的變化程度越大; 主切削力隨進(jìn)給量的增大而增大,而進(jìn)給力隨進(jìn)給量的增大而減小 (2)學(xué)習(xí)應(yīng)變梯度塑性理論,優(yōu)化微切削力模型Fleek和Hu

31、tehinson及Fleek等在六十年代的高階連續(xù)介質(zhì)彈性理論的框架下發(fā)展了兩種應(yīng)變梯度塑性理論:只考慮旋轉(zhuǎn)應(yīng)變梯度的偶應(yīng)力理論,和既考慮旋轉(zhuǎn)梯度又考慮拉伸梯度的應(yīng)變梯度塑性理論 Goa等人,提出了由Taylor位錯模型出發(fā)的新的應(yīng)變梯度理論,基于細(xì)觀機制的應(yīng)變梯度塑性理論 (3)建立模型力約束條件,利用Matlab軟件有限元軟件進(jìn)行切削力仿真分析任何模型都有它一定的適用范圍和使用前提模型的建立主要考慮到求解析結(jié)果的因素,對于任意曲面的工件,由于其復(fù)雜性,用解析方法是不可能的,因此工件加工表面要求較簡單切削過程的有限單元法通過建立計算機模型來預(yù)報特定切削參數(shù)下工件的變形應(yīng)力應(yīng)變,以及刀具的受力

32、情況等二.采用的研究手段 (1)建立所要加工的零件模型,模型的建立盡量以簡單并能充分體現(xiàn)微切削力特點的模型,可以建立微小圓柱體 (2)考慮應(yīng)變梯度塑性理論建立合理的切削力模型,建立約束條件 (3)建立目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化下列目標(biāo):切削力最小零件表面粗糙度最小刀具損傷最小保證壽命盡可能最大零件整體質(zhì)量最好(無裂紋無損傷) (4)利用Matlab軟件有限元軟件進(jìn)行切削力仿真模擬分析,建立刀具及其零件的應(yīng)力分布圖,然后綜合分析各影響因素對于切削力的影響程度 (5)重新建立目標(biāo)函數(shù),重復(fù)前三步,直至取得最優(yōu)最合理的目標(biāo)函數(shù) 畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告指導(dǎo)教師意見: 指導(dǎo)教師: 年 月 日所在系審查意見:

33、 系主任: 年 月 日勵志美文美句摘抄 1不要放棄自己就是真正的堅強,虛心就是堅強,努力就是堅強,從頭再來就是堅強,正直就是堅強,學(xué)會堅強之前要學(xué)會如何愛惜自己 2人生,就沒有,永遠(yuǎn)的悲痛;也沒有,永遠(yuǎn)的歡欣能使我們堅強的,往往不是順境,而是逆境;能讓我們醒悟的,往往不是高興,而是傷心學(xué)會忍受,懂得艱辛,于曲折中前進(jìn) 3人都說比天空和大地更遠(yuǎn)的距離是人與人的距離,因為人心里都會藏匿太多的猜忌和戒備,想要快樂就甩開生命中這些過于沉重,卻又不必要的行李吧,生命中有愛就足夠了試著給周圍你所熟識的還有你還陌生的人一個真誠無惕的微笑吧,它可以觸摸到他人的心靈,微笑是有感染力有連帶性的,它會無聲的滲透進(jìn)每

34、個易感的心靈,更會讓更多的心靈為之感動,心中有愛就會快樂,就會讓微笑發(fā)自心底,燦爛在臉上 4千萬不要因為自己已經(jīng)到了結(jié)婚年齡而草率結(jié)婚想結(jié)婚,就要找一個能和你心心相印相輔相攜的伴侶不要因為放縱和游戲而戀愛,不要因為戀愛而影響工作和事業(yè),更不要因一樁草率而失敗的婚姻而使人生受阻感情用事往往會因小失大 5你要從現(xiàn)在開始,微笑著面對生活,不要抱怨生活給了你太多的磨難,不要抱怨生活中有太多的曲折,不要抱怨生活中存在的不公當(dāng)你走過世間的繁華與喧囂,閱盡世事,你會幡然明白:人生不會太圓滿,再苦也要笑一笑! 6不要讓灰色的烏云籠罩一輩子,生命中還有很多美好的不要讓其遮蓋,不要因為一片烏云毀了一切,人生中還有

35、很多可以去把握 7每一個成功者的背后都有一個心路的旅程,雨中漫步你不會比別人先一步看到彩虹 8面對人生的煩惱與挫折,最重要的是擺正自己的心態(tài),積極面對一切再苦再累,也要保持微笑笑一笑,你的人生會更美好! 9命運,不過是失敗者無聊的自慰,不過是懦怯者的解嘲人們的前途只能靠自己的意志自己的努力來決定 10你或許無法改變身高和體形,但是可以改變你的態(tài)度我們每個人都有力量去培養(yǎng)和保持為我所用的積極態(tài)度,提高我們的人生質(zhì)量,完成我們的人生目標(biāo)態(tài)度是人生理想的昭示,而非既有成果的反映改變你的態(tài)度,就可以改變你的人生 11不要像玻璃那樣脆弱有的人眼睛總盯著自己,所以長不高看不遠(yuǎn);總是喜歡怨天尤人,也使別人無比厭煩沒有苦中苦,哪來甜中甜?不要像玻璃那樣脆弱,而應(yīng)像水晶