类球体微粒刀水致旋转驱动机理及其微纳铣削

Minimizing the size of cutter and looking for new micro cutting way are playing positive roles in producing mini-parts.During the initial research period, we found that water jet can form water tweezers under certain conditions. Since water tweezers can capture and manipulate particles, and there are eddies in the particulates, we come up with an idea to put the theory of micro milling into practice: use particles as a cutting tool, and watery potential well to capture and manipulate particle cutter, so that these particulates can eddy and move. We plan to adopt fractal theory, multi-scale model, simulation, vision control, set up an experiment platform, and other ways to implement this theory..We conduct a study to investigate the formation and the characteristic of watery potential well, the dynamic behavior of particle cutter, water-induced rotation of particles in water gagging, and micro milling mechanism of particle cutter. Then we test micro milling, explore the theory of how watery potential well can capture and manipulate particle cutter, clarify coupling effect mechanism of watery potential well and particle cutter, explain water-induced rotation mechanism of watery potential well and particle cutter, construct a model of deformational grads theory, and finally reveal the change regularity of milling limit..The project suggests a brand new idea of particulate cutter of micro milling. It furnishes a new way to manipulate particulate cutter and a new micro milling method for micro manufacturing, and provides the foundation to further develop micro mechanical device of water driving.

降低刀具尺寸和寻找新的微细切削方法对微型零件的制造有积极意义。我们前期研究发现：水射流在满足一定条件时能够形成"水镊"，"水镊"可以捕获和操控微粒，"水镊"中的微粒存在着旋转现象。据此提出将微粒作为切削刀具，利用水势阱捕获和操控微粒刀，使其旋转和移动，从而实现微纳铣削的理念。研究拟采用分形理论、多尺度模型、模拟仿真、视觉监控、搭建实验平台等方法和手段，进行水势阱的形成与特性、微粒刀的力学行为、水致旋转驱动和微粒刀的微纳铣削机理等方面的研究，并进行微纳铣削实验，探索水势阱对微粒刀的捕获和操控理论，阐明水势阱与微粒刀的耦合作用机制，解释水势阱对微粒刀的水致旋转驱动机理，建立微纳铣削应变梯度理论模型，揭示最小铣削极限变化规律。项目提出了一种全新的"微粒刀"微纳铣削理念，为微制造提供一种新的微粒操控方法和微纳铣削方法，为进一步开发水驱动的微机械装置打下基础。

微纳铣削是微细切削加工的重要内容，开发新的微纳铣削方法及微细加工刀具是其中的关键。项目提出了微粒刀微纳铣削理念，开发了以水驱动微粒刀进行微纳铣削的新方法，系统研究了水势阱的形成与特性、微粒刀的力学行为、水致旋转驱动和微粒刀的微纳铣削机理等，并进行了微纳铣削实验，探索了水势阱对微粒刀的捕获和操控理论，阐明了水势阱与微粒刀的耦合作用机制，解释了水势阱对微粒刀的水致旋转驱动机理，建立了基于水致旋转驱动的微粒刀微纳铣削应变梯度理论模型，揭示了最小铣削极限变化规律。. 基于以上研究结果，项目开发的主要技术包括：.① 微粒刀微细加工工艺及其微细加工技术。首创微粒刀微细加工工艺，发明以射流操控刀具进行微细加工的驱动控制方法，开发切削加工刀具和夹持机构软性接触的微粒刀微细加工工作方式，掌握射流驱动的微粒刀微细加工技术，拓展微细加工的加工方式和方法。.② 微粒刀及其制备技术。设计类球体微粒刀结构，开发微粒刀的制备工艺与技术，突破微细加工刀具的体积局限，微粒刀的刀尖尺寸达到纳米级。.③ 微粒刀微细加工机床及其集成制造技术。采用优化设计法进行微粒刀微细加工机床的一体化设计，开发微粒刀捕获装置、直线驱动工作台、独特的箱体结构、基于PMAC的控制系统等，实现微粒刀微细加工机床设计制造的系统集成。. 围绕本项目，发表研究论文2篇，授权美国发明专利1项、日本发明专利3项、中国发明专利4项，其中3项专利进行了转化，核心成果获浙江省技术发明奖二等奖1项、宁波市科技进步奖二等奖1项、宁波市发明金奖1项。. 通过本项目的研究，开发了微粒刀微纳铣削技术，拓展了微细加工新途径，填补微粒刀微细加工产业和技术的空白，提升我国在微细加工领域的知识产权水平，为中国射流驱动的制造技术及其装备的发展提供了基础支撑，进一步可以增加中国微细加工制造产业的竞争力。