基于微切削和涂层补偿的微小结构/零件加工机理与工艺研究

For the requirement of submicron manufacturing precision three-dimensional micro-structure/parts whose size ranges from 0.01 millimeter to 10 millimeters, this project proposes a new way to manufacture micro-structure/parts which is based on micro-cutting and the compensation of precision coating. The key questions need to be solved in the project are further subdivision principle of basic tolerance size and tolerance numerical value for micro/meso-size; the mechanism of effect on the surface integrity of micro cutting and its effect on the peformance of coatings, also its effect on the thickness of coatings and the principle of uniformity control. Through micro-cutting experiment and the simulation of micro cutting based on smoothed particle hydrodynamics method, they reveal the machining mechanism of micro-cutting and changing patterns of cutting force, surface roughness and residual stress on the surface, build mathematic model about cutting parameter optimization, and combining coating processing test and process simulation based on the Monte Carlo dynamics, the formation and growth mechanism coating interface is discussed, and coating performance prediction and the process parameters optimization model is built. A method to control the thickness and uniformity of coating is proposed. Micro-cutting, precision measurement and coating compensation techniques are ntegrated in this program. This project combines removal machining and attachment machining successful, to realize the improvement of machining accuracy and surface quality.

针对三维微小结构/零件（尺度为0.01-10mm）亚微米级制造精度的需求，本项目提出一种基于微切削和涂层补偿的微小结构/零件制造新方法。项目需要解决的关键科学问题包括：微米和中间尺度基本尺寸段及公差的设置原理；微切削表面完整性影响机制及其对涂层性能的作用机理；亚微米涂层厚度和均匀性控制原理。通过基于光滑粒子法的微切削加工过程仿真及加工试验，研究微切削加工机理以及切削力、表面质量的变化规律；基于蒙特卡洛动力学粒子沉积过程仿真和涂层试验，研究粒子沉积涂层界面形成及生长机理，建立涂层性能预测和工艺参数优化模型，并提出涂层厚度和均匀性控制方法。本项目集成微切削、精密测量和涂层补偿技术，去除加工和附着加工有机结合，实现微小结构/零件的经济制造，使加工精度和表面质量同步提高。

针对微米及中间尺度结构/零件常规加工工艺过程复杂且成本过高的问题，本项目提出一种基于微切削和膜层补偿的微米和中间尺度结构/零件的新型复合制造技术。鉴于此，首先采用尺寸链理论对该复合制造技术在可行性上进行了验证，并结合MATLAB曲线拟合方法，制定了基本尺寸为0.01mm～10mm相对应的公差数值。在微切削方面，研究了材料的微观组织结构对切屑形态、加工过程应力应变分布的影响，通过建立起具有不同拓扑结构的非均质材料模型，能够有效的捕捉微尺度加工下材料的局部加工特性，仿真结果中的切屑形态与试验中的一致，说明了模型的准确性和可行性。通过对钝圆刃口微切削过程中停滞点现象的研究，分析了停滞点的形成机理及影响因素，发现当刃口圆弧半径一定时，随着未变形切削厚度的减少，刃口下方的材料发生严重的塑性变形，切削抗力所占比例加大，犁耕效应显著，切屑形成困难；当未变形切削厚度一定时，刃口圆弧半径越大，停滞点现象越明显，犁耕力增大，切削速度越小，微切削加工中越容易出现停滞点现象。通过在微型铣床上对硬铝合金进行了一系列的微铣削试验，获得了铣削加工因素对微铣削力的影响规律。在薄膜补偿层方面，对DLC、CrNx、TiNx薄膜性能做了比较，并对生长机理进行分析。系统研究了DLC，TiAlN涂层制备过程中工艺参数对薄膜表面形貌与结构成分以及结合性能、耐磨性能、抗压性能、抗划擦性能等力学性能的影响规律，对工艺参数进行优化。对微米和中间尺度台阶和槽进行DLC薄膜补偿，最终精密测量结果，显示槽加工后尺寸为400μm，公差为524nm；尺寸700μm，公差为415nm，达到设计尺寸及IT5级精度要求。台阶加工后尺寸为400μm，公差为543 nm；尺寸700μm，公差为922nm，达到400μm和700μm的设计尺寸及IT5级精度要求。本项目的成功实施将对微小结构/零件推广应用具有重大的理论意义和参考价值。