基于可热处理合金超精密飞铣加工表面生成机理和热效应的理论及应用基础研究

Ultra-precision raster milling (UPRM) is an advanced manufacturing technology for manufacturing non-rotational symmetric freeform surfaces with nanometric surface roughness. The quality of the machined surface plays an essential role in the functional performance of the product. Due to the different cutting mechanics, the surface generation is very dependent on cutting strategies and more factors affect surface quality in UPRM, as compared with ultra-precision diamond turning. Therefore, it is necessary to make a further investigation on the surface generation mechanism so as to establish a more precise roughness prediction model in UPRM. .In this project, effect of cutting strategy and workpiece materials on surface generation in UPRM will be studied to develop a holistic 3D surface roughness prediction model. The material effects include the elastic and plastic deformations and the material-induced tool tip vibration with a high frequency. The cutting-induced heat generation in UPRM will be studied and the cutting-induced temperature rise on the machined surface in UPRM will be evaluated by using the time-precipitates-temperature characteristics of Al-Mg-Si alloy. A 3D finite element (FE) model will be built to predict the cutting-induced heat generation on the machined surface and cutting tool under different cutting conditions. Effect of cutting strategy on form accuracy and the total machining time in freeform machining will be investigated in this study. Prediction models for form accuracy and machining efficiency will be developed. The developed prediction models will be verified with experiments under various machining conditions..This study will not only lead to a better understanding of the micro-cutting process and nano-surface generation mechanism, but also serve as a tool to provide optimum cutting strategies to reduce tool wear, improve surface quality in an efficient way for ultra-precision machining. This study will also contribute to the further improvement of the performance of ultra-precision machines.

本项目使用交叉学科的方法对超精密飞铣纳米表面生成机理进行系统和全面的理论研究，引入材料影响因子，包括材料的弹塑性变形和材料引起的刀尖高频振动对表面生成的影响，建立三维表面微观形貌仿真模型和更精确的表面粗糙度预测模型。创新性的提出评估切削引起的热效应的方法，首次使用三维有限元方法对超精密飞铣进行数值仿真，建立切削参数与切削热之间的关系，预测不同切削条件下飞铣加工中热效应导致工件和刀具的最高温度。研究超精密飞铣自由曲面切削策略、形状精度和加工效率之间的关系，研发形状精度预测模型和切削策略优化模型。通过本项目的研究，有助于促进微切削机理和纳米表面生成机理理论研究的突破，还可开发出一套集切削策略设计、优化和加工表面形貌仿真、加工质量和效率预测功能为一体的软件系统，为自由曲面产品提供可靠、低花费且高效的加工技术，降低刀具磨损，实现金刚石刀具在超精密加工的广泛应用，因此具有重要的理论和现实意义。

超精密加工技术于20 世纪60 年代初在美国是因宇航技术和军事技术的需要而形成和发展起来。近十几年来，超精密加工逐渐进入国民经济和人民生活的各个领域，例如电子、光通讯、手机和数码相机等各种产品中复杂形状自由曲面元器件的加工和批量生产。超精密飞铣加工使用单晶金刚石刀具可直接加工出亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度的非回转对称自由曲面。其加工表面质量不仅取决于刀具、加工参数及切削策略，切削热对表面完整性、刀具寿命的影响也是决定加工质量和效率的重要条件。现有研究大都只考虑刀具和加工参数对加工质量的影响，忽略了以上因素。本项目对超精密飞铣表面生成机理进行系统和全面的理论研究，引入新参数（偏移值）、切削干涉以及材料性能对表面生成的影响，建立表面三维微观形貌仿真模型和更精确的表面粗糙度预测模型。该模型不只考虑刀具几何参数和切削参数的影响，还综合考虑了刀具轨迹规划、机床动态性能以及材料的弹塑性变形和材料引起的刀尖高频振动对表面生成的影响。实验证明偏移值和材料因素的引入都提高了超精密飞铣加工表面粗糙度预测的精度。同时，提出一种新方法和新的评定参数，将理论粗糙度形貌从测量所获得的表面三维微观形貌中分离出去，可以有效的评定出工件材料对超精密飞铣加工表面生成的影响。实验证明，该方法比表面粗糙度参数和功率谱方法更为有效。研究超精密飞铣自由曲面切削策略、形状精度和加工效率之间的关系，建立切削策略优化模型对切削参数和刀具轨迹规划同时进行优化。切削实验证明，优化策略的应用可以实现在不降低加工效率的前提下提高超精密飞铣加工精度的目的。在理论研究的基础上，开发出一套集切削策略设计、优化和加工表面形貌仿真、加工质量和效率预测功能为一体的软件系统，并将其应用于实际加工过程的仿真与数控代码生成。另外，本项目还创新性的提出评估切削所引起热效应的新方法，该方法利用铝6061合金的时效效应，分析超精密飞铣加工铝6061过程中切削热引起的粒子生成，建立粒子的大小与加工时间和切削参数之间的关系，预测不同切削条件下超精密飞铣加工中热效应导致工件表面温度的升高和表面完整性影响。研究结果表明，主轴转速和切削进给速度的提高都会引起切削热的增加。因此本项研究有助于促进微切削机理和纳米表面生成机理理论研究的突破，为自由曲面产品提供可靠、低花费且高效的加工技术，因此具有重要的理论和现实意义。