本文關(guān)鍵詞： 兩自由度柔性機構(gòu) 非對稱型柔性鉸鏈 橢圓振動輔助加工 刀具路徑生成 表面形貌仿真 有限元分析　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：作為目前最具研究前景和發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)制造技術(shù)之一,橢圓振動輔助加工(Elliptical vibration-assisted machining,EVAM)技術(shù)在傳統(tǒng)切削加工中引入微小尺度的高頻振動,從而不僅能夠用于各種微結(jié)構(gòu)表面的織構(gòu)和復(fù)雜光學(xué)曲面的創(chuàng)成,而且可以有效改善傳統(tǒng)切削過程的機械加工性能,尤其適用于各種難加工材料的金剛石切削,如光學(xué)玻璃和單晶硅等脆性材料、碳化鎢和碳化鈦等硬質(zhì)合金、不銹鋼和模具鋼等黑色金屬和各種纖維增強復(fù)合材料�；诖�,EVAM技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注,并與各種傳統(tǒng)機械加工方法產(chǎn)生了廣泛的融合,如車削、銑削、鉆削、磨削、拋光以及電火花加工等�，F(xiàn)有研究表明,相對于傳統(tǒng)機械加工方法而言,EVAM在降低切削力、增加塑性域切削深度、延長刀具壽命、提高表面質(zhì)量和成形精度、抑制切削毛刺等方面具有更加優(yōu)異的性能,但其也存在一些有待改進(jìn)和提高之處,如EVAM系統(tǒng)的運動耦合及誤差較大、EVAM切削表面的殘高分布不均以及EVAM壓印微結(jié)構(gòu)的成形精度低等。為了解決EVAM方法中現(xiàn)存的不足和進(jìn)一步增強其性能優(yōu)勢,本文將致力于二維橢圓振動輔助加工新方法及其裝置的研究,主要研究內(nèi)容包括如下幾個方面:(1)針對非共振型EVAM裝置運動精度低和耦合誤差大等諸多不足,研制一種新型橢圓振動加工裝置及其控制系統(tǒng)。首先,設(shè)計兩種具有更高運動精度的非對稱型柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的對稱型柔性鉸鏈,引入一種有限梁柔度矩陣建模法(Finite beam based matrix modeling,FBMM)建立它們的全柔度矩陣模型,并采用無量綱精度系數(shù)完成非對稱和對稱型柔性鉸鏈性能的對比評估。隨后,利用平行運動約束圖(Parallel-kinematic constraint map,PKCM)方法完成并聯(lián)解耦兩自由度柔性機構(gòu)的運動學(xué)設(shè)計,以平行四邊形柔性模塊為基礎(chǔ)單元完成柔性機構(gòu)的實體化設(shè)計,并采用柔度矩陣建模(Matrix-based compliance modeling,MCM)方法建立其全柔度解析模型,再通過有限元分析(Finite element analysis,FEA)驗證MCM模型的有效性,并分析其靜力學(xué)和動力學(xué)特性。最后,利用可編程多軸控制器(Programmable multi-axis controller,PMAC)搭建EVM裝置的模糊自適應(yīng)PID伺服控制系統(tǒng),并對EVM加工系統(tǒng)的耦合量、最大行程、工作帶寬和響應(yīng)速度等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行離線實驗測試。(2)為了實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)功能表面的高效加工,提出一種單點的橢圓振動壓印(Elliptical vibration coining/indentation,EVI)方法。首先,根據(jù)精密數(shù)控車床和EVM裝置的運動學(xué)原理,推導(dǎo)橢圓振動壓印的路徑的生成策略,并在此基礎(chǔ)上完成壓印微結(jié)構(gòu)表面的形貌仿真;同時,針對EVI過程中工件主進(jìn)給速度和壓頭輔助壓印速度進(jìn)行匹配分析,研究運動耦合對壓印微結(jié)構(gòu)面形精度的影響,并確定運動耦合和壓印誤差最小的最優(yōu)工藝參數(shù)。鑒于常規(guī)EVI過程中壓頭與工件僅在最大壓印深度處實現(xiàn)相對靜止,因此本文構(gòu)建一種可以保證壓頭與工件在壓印變形期間都處于相對靜止的理想速度曲線,并利用傅里葉級數(shù)展開(Fourier series expansion)對理想速度曲線進(jìn)行擬合并替換,經(jīng)過積分操作后得到非橢圓的輔助壓印路徑,進(jìn)而發(fā)展出一種非橢圓振動壓印(Non-elliptical vibration coining)的新方法。此外,利用商業(yè)化FEA軟件研究橢圓振動壓印過程中壓痕邊緣的凹陷和凸起缺陷以及材料回彈現(xiàn)象等對微結(jié)構(gòu)形狀精度的影響。最后,通過一系列的壓印實驗有效驗證了橢圓/非橢圓振動壓印方法的有效性和可行性,并歸納總結(jié)了各種易產(chǎn)生的壓印缺陷形式及誘因,以盡量避免其在后續(xù)研究中的重復(fù)出現(xiàn)。(3)為了提高傳統(tǒng)橢圓振動切削方法的應(yīng)用靈活性和進(jìn)一步強化加工性能,提出一種用于復(fù)雜光學(xué)曲面創(chuàng)成的變參數(shù)橢圓振動切削(Elliptical vibration cutting with varying multi-parameters,VMP-EVC)的新方法,該方法根據(jù)加工曲面的幾何特征實時調(diào)節(jié)橢圓幾何參數(shù),包括橢圓振幅、轉(zhuǎn)角和中心位置等,并完成不同VMP-EVC過程的刀具路徑規(guī)劃和表面形貌的仿真;利用小波變換將仿真表面形貌的殘留刀痕和面形誤差分離出來,以評估分析VPM-EVC中橢圓參數(shù)變化對于加工表面粗糙度和面形精度的影響規(guī)律,進(jìn)而獲得VMP-EVC過程的最優(yōu)橢圓幾何參數(shù)。此外,為了延長金剛石刀具的使用壽命和削弱加工表面的散射效應(yīng),提出了一種差頻的橢圓振動切削(Elliptical vibration cutting with different frequency,DF-EVC)新方法,但其存在有效切削能力不足的問題,然后通過對DF-EVC運動方程的推導(dǎo)演變提出另一種改進(jìn)型變相位差的橢圓振動切削(Elliptical vibration cutting with varying phase difference,VPD-EVC)方法,它們均被創(chuàng)造性地用于加工兩種微型凹槽以克服刀尖圓弧半徑對凹槽最小尺寸的限制,并完成了刀具路徑的生成和表面形貌的仿真。通過采用功率譜密度(Power spectral density,PSD)和定義有效切削率,分析討論了不同相位差幅值條件下VPD-EVC加工表面的散射效應(yīng)抑制能力和有效切削能力,并綜合考慮這兩個VPD-EVC評價指標(biāo)以優(yōu)化確定了橢圓振動相位差幅值。最后,采用上述的新型EVC方法在機械加工性能較差的紫銅毛坯上進(jìn)行切削實驗,切削表面的檢測結(jié)果驗證了提出新型EVC方法的有效性和可行性。(4)不同殘留刀痕表面的橢圓振動拋光方法的研究。針對單點金剛石車削(Singepoint diamond turning,SPDT)光學(xué)表面不同形狀殘留刀痕的后處理,提出了基于精密車床的橢圓振動拋光(Elliptical vibration polishing,EVP)方法;根據(jù)橢圓振動軌跡平面相對于殘留刀痕的空間位置關(guān)系,將橢圓振動拋光路徑可以劃分為順向(Up-feed)、橫向(Cross-feed)和平行(Parallel)三種類型,并針對復(fù)雜光學(xué)曲面分別推導(dǎo)三種不同橢圓振動拋光路徑的生成算法;然后,采用有限元軟件ANSYS的Workbench模塊對橢圓振動拋光過程中的拋光作用力和最大應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析。最后,針對不同毛坯材料,將不同頻率和變相位差的橢圓振動切削路徑用于EVP實驗,并分別考慮了順時針(Clockwise,CW)和逆時針(Counterclockwise,CCW)橢圓振動路徑的情況,然后分別針對制備的螺旋狀(常規(guī)車削)和魚鱗狀(切削顫振引起的)殘留刀痕毛坯表面進(jìn)行拋光實驗,對比分析了不同拋光路徑和拋光參數(shù)在兩種殘留刀痕表面進(jìn)行拋光處理的材料去除效率,實驗結(jié)果很好地驗證了橢圓振動拋光方法的有效性和可行性。本文針對橢圓振動輔助加工方法及其EVM加工系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和實驗研究,主要得到如下幾個方面的結(jié)論:(a)兩種非對稱型柔性鉸鏈的運動精度均優(yōu)于傳統(tǒng)對稱型鉸鏈,基于PKCM設(shè)計的兩自由度柔性機構(gòu)不僅保持了并聯(lián)結(jié)構(gòu)高帶寬的優(yōu)點,而且可以有效削弱了不同運動軸間的寄生耦合運動;(b)橢圓振動壓印中材料塑性變形的回彈和壓痕邊緣的凹陷/凸起現(xiàn)象會直接影響壓印微結(jié)構(gòu)的形狀精度,壓印運動耦合對工件表面的劃損依賴于工藝參數(shù)和壓頭參數(shù),提出的非橢圓振動壓印方法可以降低運動耦合對壓印形狀精度的影響,進(jìn)而可以實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)的高效加工;(c)VMP-EVC過程中微小尺度的高頻振動可以實現(xiàn)復(fù)雜曲面的創(chuàng)成,且其殘余刀痕的高度分布同時依賴于橢圓參數(shù)和曲面幾何特征,但合理的橢圓參數(shù)可以獲得殘高分布均勻的創(chuàng)成曲面。VPD-EVC過程不僅可以加工微小尺度的U-型及V-型凹槽,而且能夠有效降低金剛石刀具的磨損和抑制切削表面的散射效應(yīng);(d)在橢圓振動拋光過程中,切削表面的拋光效率依賴于殘余刀痕延伸方向和高頻振動方向之間的關(guān)系,且兩者相互垂直時的材料去除效率最佳,EVP的拋光效果要優(yōu)于無橢圓振動的傳統(tǒng)拋光過程,且其與拋光路徑的運動方向和軌跡形狀的依賴度較小。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH16
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本文編號：1476302