球头铣刀微纳加工脆性材料切削力模型研究

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1、球头铣刀微纳加工脆性材料切削力模型研究摘要本文以微型球头铣刀铣削脆性材料为基础，研制了精密铣削加工实验系统，建立了铣削力模型，并通过铣削实验对铣削力与铣削条件进行了研究。首先，基于空间几何理论和刀具形貌特征，在分析铣削过程的基础上建立了球头铣刀铣削力计算模型。该模型考虑了微纳铣削条件下的加工特性，并将刀具倾斜角α作为模型的控制变量之一。通过对球头铣刀的几何特性研究，建立了切削刃上任一点的运动轨迹方程，绘制出了其轨迹曲线。根据对斜刃切削理论的研究，建立了铣刀的切削力模型，并通过旋转坐标系将倾角为α的铣刀切削力转化到水平

2、和垂直方向。其次，研制了微细铣削加工实验系统。该系统以高速旋转的电主轴为核心，能够实现铣刀的倾斜加工和工件的微量三向进给以及铣削力的实时测量。运用Pro/E软件设计铣刀夹持系统和三向进给系统，并利用有限元分析软件ANSYS对铣刀夹持系统进行了结构和动力学分析，以改进夹持系统的设计并预估其特性。通过夹持系统的锁紧装置锁紧选购电主轴，利用加持系统中的自制分度盘和横梁上孔的配合实现主轴倾角做增量为1度，最大90度的旋转，以实现倾斜铣削。本文设计的三轴微进给系统，分别由直线和伺服电机驱动，通过置入微机的控制卡实现微米级以下的

3、进给。专用数据采集卡将测力计所测得切削力数据保存在微机中并加以处理。最后，在铣削加工实验系统上对钙钠玻璃试件进行铣削实验。通过实验数据，求出了建立的切削力模型中的未知量，进而获得切削力模型。通过切削力实验数据和模型仿真数据的比较，实测数据与仿真数据的误差较小，验证了模型的可行性。通过改变切削条件，由实验得到了不同切削条件对铣削的影响。本文工作为微型球头铣刀铣削力模型的建立，微细铣削加工技术的研究，实现脆性材料的塑性微纳铣削的影响因素等方面的进一步研究奠定了基础。关键词：球头铣刀，微细铣削，切削力，实验系统iMODEL

4、LINGOFCUTTINGFORCEOFBALL-ENDMILLINGFORMICROMACHININGOFBRITTLEMATERIALABSTRACTInordertoanalyzemicromachiningofbrittlematerialbyball-endmilling,anexperimentsystemforprecisionmillingisdeveloped.Acuttingforcemodelisestablishedtostudyonrelationshipofcuttingforceandc

5、uttingconditionbasedonnumericalsimulationandexperiment.Amathematicmodelofcuttingforceisdevelopedbasedongeometryandtopographicfeatureofball-endmillingcutter.Inconsiderationofprocessingcharacteristicofprecisionmicromachining,thetiltangleofmainaxisadoptedasacontro

6、lvariable.Themotionequationoflocusisderivedaboutapointoncutteredge(definedbyhelixlagangleϕ)torepresentitstrajectorycurve.AccordingtotheobliquecuttingtheorythecuttingmodelisdevelopedbymeansoftranslatingcuttingforceofinclinedcuttertoCartesiansystemfromrotarycoord

7、inatesystem.Theexperimentsystemforglassmicromachiningisdevelopedbyball-endmillingwithtiltangle.Thesystemdesignedforhighspeedspindle,canbesetincutterinclinationwithmicro-feedofworkpieceandmeasurementofcuttingforce.TheclampspindlesystemisdesignedusingPro/E.Dynami

8、canalysisonthesystemiscarriedoutinfiniteelementmethodbyANSYS.Thefixturesystemisthenimprovedandestimatedforsomecharacteristics.Thelockingcomponentofclampsystemcanfastenthespi