發(fā)布時(shí)間：2020-08-18 12:56

【摘要】：超精密加工主要包括超精密車削、超精密銑削和超精密磨削等,已廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天和其它高科技領(lǐng)域,其能加工出納米級表面粗糙度及亞微米級形狀誤差的零件,是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要支撐和基礎(chǔ)。超精密加工表面創(chuàng)成機(jī)理直接決定被加工表面質(zhì)量,但受眾多因素影響。其中,機(jī)床主軸振動、刀具磨損、加工參數(shù)及材料屬性是決定超精密加工表面創(chuàng)成質(zhì)量的關(guān)鍵因素。然而,目前國內(nèi)外超精密加工表面創(chuàng)成機(jī)理的研究尚存在不足之處。為此,本文針對超精密加工表面創(chuàng)成機(jī)理展開相應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究,著重探討上述關(guān)鍵因素對超精密加工表面創(chuàng)成的影響。本文主要的研究工作包括以下三點(diǎn):(1)以超精密加工主軸振動對表面創(chuàng)成的影響為研究對象,提出和建立了一種廣義動力學(xué)模型以準(zhǔn)確描述不同超精密加工過程中主軸振動對表面形貌的影響。為了檢驗(yàn)理論結(jié)果的正確性,分別設(shè)置和進(jìn)行了一系列超精密金剛石車削(UPDT)實(shí)驗(yàn)、超精密銑削(UPRM)實(shí)驗(yàn)和超精密磨削(UPG)實(shí)驗(yàn)以對該模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過對實(shí)驗(yàn)中超精密加工的表面形貌進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)在超精密金剛石車削中,由恒定切削力引起的諧波性主軸振動會使被加工表面產(chǎn)生周期性圖案。在超精密銑削中,由周期性脈沖切削力引起的脈沖性主軸振動會在被加工表面產(chǎn)生準(zhǔn)周期性圖案。在超精密磨削中,由隨機(jī)脈沖切削力引起的部分脈沖主軸振動使被加工表面產(chǎn)生了的部分隨機(jī)圖案。最終得出結(jié)論:主軸振動系統(tǒng)具有線性和諧波特性,包括軸向主軸振動,徑向主軸振動和耦合傾斜主軸振動。其動態(tài)響應(yīng)由超精密加工中切削力的外部激勵(lì)決定。所建立的廣義動力學(xué)模型準(zhǔn)確地描述了上述三種不同超精密加工過程中的主軸振動,其對表面形貌影響的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好一致性。(2)以超精密加工刀具磨損對表面創(chuàng)成的影響為研究對象,基于超精密金剛石刀具銑削易加工材料Zn-Al-Cu合金,利用BSEM和XRD技術(shù)檢測相位,結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)測試納米硬度,用SEM技術(shù)觀察DTW特征,通過光學(xué)分析測量系統(tǒng)檢測加工表面的表面形貌和表面粗糙度。分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在超精密銑削Zn-Al-Cu合金時(shí),高速切削下淬火和相析出現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生,即加工表面上會發(fā)生雙相變化;超精密銑削下產(chǎn)生的外部應(yīng)力引起了相變,進(jìn)而改變了材料的性能。在高速切削條件下,變形厚度甚至小于100 nm;金剛石刀具后刀面磨損會促進(jìn)相變,增強(qiáng)表面硬化,增加相變厚度從而降低表面質(zhì)量,因?yàn)楹蟮睹婺p會引起較高的外部應(yīng)力,而前刀面則情況相反。論文就正交切削進(jìn)行的有限元模擬對之有著良好驗(yàn)證。(3)以超精密加工參數(shù)及材料屬性對表面創(chuàng)成的影響為研究對象,基于超精密磨削難加工材料鋯基金屬玻璃實(shí)驗(yàn),揭示了其表面粗糙度創(chuàng)成規(guī)律。首先在Precitech公司的Freeform L型超精密五軸輪廓機(jī)床上對鋯基金屬玻璃進(jìn)行了一系列超精密磨削實(shí)驗(yàn);通過介入磨削實(shí)驗(yàn),研究了金屬玻璃磨削過程的材料去除機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,采用正交法,設(shè)置不同切削參數(shù)對鋯基金屬玻璃進(jìn)行了一系列平面磨削實(shí)驗(yàn),并運(yùn)用激光干涉形貌儀,X射線衍射儀(XRD),原子力顯微鏡(AFM)等儀器對表面形貌進(jìn)行檢測和分析。采用邊加工邊用冷卻液冷卻的方法對鋯基金屬玻璃進(jìn)行超精密磨削加工,然后通過XRD檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn),加工后的材料均未發(fā)生表面晶化現(xiàn)象,這是保證鋯基金屬玻璃可磨性的重要前提;介入磨削實(shí)驗(yàn)清晰揭示了金屬玻璃磨削工藝下材料去除過程包括韌性去除機(jī)理和脆性去除機(jī)理,臨界切削深度是以上兩種去除機(jī)理轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵參數(shù);本文中超精密磨削鋯基金屬玻璃創(chuàng)成的表面粗糙度可達(dá)30nm以下,比文獻(xiàn)中報(bào)道的普通磨削方式優(yōu)于一個(gè)數(shù)量級。通過正交實(shí)驗(yàn)得出的切削參數(shù)對表面粗糙度創(chuàng)成的影響規(guī)律,可為進(jìn)一步提高超精密磨削表面精度提供技術(shù)路線參考和工藝借鑒。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH161
【圖文】：

第一章 緒論，產(chǎn)生了巨大的產(chǎn)值。比如，據(jù) Winter Green 研究中心的調(diào)查，目前光學(xué)產(chǎn)品市場價(jià)值就超過萬億美元以上，而且，超精密自由曲面加工提升光學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，有學(xué)者估計(jì)，到 201超精密光學(xué)器件市場總值就將達(dá)到 1230 億美元[4]。

及磨床在這一時(shí)期被研發(fā)出來了。到上世紀(jì) 80 年rmore 國家實(shí)驗(yàn)室在政府大量資金與人力支持下，床，此機(jī)床后來成為超精密加工機(jī)床的典型代表，加工都是借助該設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)。 年代后期以來，民用超精密加工技術(shù)得到日益廣在此階段，超精密加工設(shè)備在工業(yè)上已較為常見，攏，而且，可加工的尺寸范圍也越來越大。超精密磨具、半導(dǎo)體基片、各類超精密光學(xué)鏡片等零件的術(shù)和設(shè)備的成熟（如數(shù)控技術(shù)、激光檢測系統(tǒng)、置等），超精密五軸銑削技術(shù)已被研發(fā)，可用于。3 個(gè)階段的充分發(fā)展，超精密加工技術(shù)手段已比支：車、銑等超精密切削加工；超精密磨削加工；離子束等超精密特種加工。現(xiàn)階段各種手段能夠達(dá)

第一章 緒論望遠(yuǎn)鏡中反光鏡的超精密加工，成為第二個(gè)大型超精密機(jī)床的制造商。日本在中小型超精密機(jī)床的研發(fā)和生產(chǎn)上后發(fā)先至，雖然到 1970 年代才，但現(xiàn)在在此領(lǐng)域基本能與美國旗鼓相當(dāng)。日本微電子和家電工業(yè)的迅猛正是得益于其多功能和高效專用超精密機(jī)床方面的良好業(yè)態(tài)。上述發(fā)展過各階段的幾種具有代表性的超精密機(jī)床如圖 1.3 所示。

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本文編號：2796248