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超精密加工中的刀具补偿驱动平台及熨压机构的研究

胡磊磊

  超精密加工在航空、航天、光学、精密机械等领域有着广泛的应用,各个国家在此方面都投入了大量的精力。目前我国在超精密加工技术装备方面与欧、美、日等发达国家相比存在很大差距,大部分技术装备依赖进口,由于技术封锁再加上造价昂贵,国内很难买到高精度的机床。因此,通过在现有机床上加装刀具补偿驱动平台有望在较大幅度上提升机床的定位精度与加工质量,改善现有装备精度不足的问题。本文通过对目前用于超精密加工的刀具补偿驱动平台进行分析总结,提出了用压电叠堆进行驱动的刀具补偿驱动平台的方案。同时,针对一些切削加工性很差的材料,又提出了一种用于表面光整强化的压电驱动型熨压机构的方案。 首先,本文介绍了微量切除原理,极限切削厚度与刀具刀刃锋锐度有密切的关系;阐述了金刚石刀具的性能特征,以及影响超精密切削的几个因素:机床的精度、加工环境等;对熨压强化原理进行了分析,推导了熨压加工塑性变形深度与熨压力的公式;介绍压电驱动原理与压电叠堆的特性,包括力学特性、响应特性、迟滞特性、蠕变特性以及压电叠堆的分辨率和重复性。 其次,对柔性铰链进行了详细介绍,对柔性铰链的结构形式和材料的选择做了优缺点评价;并进行了柔性铰链的刚度计算,得到三层平行板移动副的刚度;使用有限元软件对柔性铰链进行分析,理论上本文设计的柔性铰链的强度和刚度都能满足要求。提出了刀具补偿驱动平台的设计方案:使用压电叠堆做动力源,通过柔性铰链将位移输出,输出的位移通过接触式位移传感器进行检测再传递给控制器,从而实现闭环控制;对本驱动平台的预紧机构进行了分析;建立了驱动机构的力学模型,经数学推导得到系统的传递函数,从数学角度对其进行了描述;对整机进行了有限元模态分析,预测了整机的整体性能和频响特性。 研制了用于超精密加工的刀具补偿驱动平台的样机;搭建测试系统,对用于超精密加工的刀具补偿驱动平台的驱动机构进行了工作稳定性测试以及空载输出能力测试;将此装置应用于超精密车床进行了大量的外圆车削实验,切削不同的材料,均达到良好的效果;通过与金刚石数控刀具的对比,说明安装了本驱动平台的机床的性能会有所改善;最后通过改变切削参数对本驱动平台的性能做了进一步的测试,得出了对铜进行切削的最优的切削参数为v = 100m/min, a p= 1μm,f = 1μm/r。 本文又提出了用于表面光整强化的熨压机构的研究方案,介绍了该装置的工作原理及工作过程;对直线动子结构进行了有限元分析。使用有限元软件Marc进行了接触力学分析,模拟了熨压过程,对该过程进行了初步的定性分析。试制了用于表面光整强化的熨压机构的样机,对用于表面光整强化的熨压机构进行了空载输出能力测试和熨压实验,熨压过后可以看出表面质量有了明显的改变;熨压次数对硬度的影响与Marc分析结果一致;然后分别改变熨压深度、进给量和熨压速度对本装置进行了测试实验。 最后,总结了整篇论文的工作,分析了两套装置在设计与实验中遇到的问题和缺点,提出改进措施。论文工作得到科技部国际合作项目(项目编号:2010DFA72000)和教育部博士点基金(项目编号:200801831024)资助。……   
[关键词]:超精密加工;刀具补偿;压电叠堆;柔性铰链;熨压
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:吉林大学2011年