零件尺度在0.1~10mm,几何特征在0.01mm~1mm的加工被认为是典型的介观尺度制造范围,该尺度的零件在生物医学、航空航天和电子产品领域具有广阔的应用前景。但由于被加工零件材料要求、三维复杂形状和生产成本的限制,传统的MEMS和超精度加工技术受到限制。而基于微型机床系统的微细制造技术以其相对制造精度和生产成本的综合优势受到国内外学术界和工业界的广泛关注。特别是微细铣削工艺具有加工任意材料、三维复杂形状介观尺度零件的能力,微铣床系统的开发和工艺优化研究受到格外重视。微细铣削过程表现出介观尺度条件下特有的工艺特征,当切削用量减小到微米或亚微米级时,切削过程将出现犁切并伴有最小切削厚度现象发生,切削力工艺变量与传统切削过程发生了显著变化,从而出现强烈的尺度效应。传统的切削加工工艺理论难以有效地指导加工工艺规划,而微细铣削加工刀具易于磨损、加工效率和加工精度的提高更加依赖于微细铣削的工艺优化。解决上述问题的关键是通过对介观尺度下铣削机理研究,建立新型的适合介观尺度特点的微细铣削工艺参数计算模型和工艺规划方法。为此,本文以微型铣床系统为实验平台,围绕介观尺度下切削过程仿真、考虑尺度效应的铣削力预测以及考虑刀具磨损的表面粗糙度模型等开展较为系统的研究,建立了介观尺度铣削过程仿真模型,为微细铣削工艺优化提供基础。主要研究内容和创新工作如下:(1)微型铣床系统开发及性能实验针对微细铣削加工的技术要求,将定位分辨率为50nm的三轴位移平台和最高转速为120,000转/分的高速气动主轴进行集成,采用PMAC卡进行运动控制,开发三轴数控微型铣床系统;借助于激光干涉仪对铣床工作台定位精度进行测量,采用误差补偿方法将铣床工作台的定位精度提高到1.6微米;对微型机床动力性能进行实验分析,通过调整机床支撑刚度的方法,改善了机床的动态性能;采用0.127mm的铣刀开展同心圆形槽以及平面加工的铣削试验,通过几何测量和粗糙度测量验证了该机床系统的可靠性;最后,通过一个工程实例,说明了基于微型机床的微细铣削加工技术的实用性。(2)介观尺度下正交切削过程仿真模型针对传统仿真分析模型难以体现尺度对材料力学性能影响以及介观尺度下出现最小切削厚度(犁切)现象的问题,首先,应用细观力学应变梯度理论,引入尺度变量对描述材料本构关系的Johnson-Cook(JC)模型进行修正,建立考虑介观尺度力学效应的材料切削本构模型;在此基础上,综合考虑微型刀具切削刃半径、接触摩擦和材料断裂失效准则,建立平面应变条件下正交切削过程的有限元仿真模型;最后,应用所建立的仿真模型对介观尺度下尺度效应产生机理进行了分析,得出结论:(i)介观尺度下材料力学性能的变化是微细切削尺度效应的主要原因,修正的JC模型为描述这种尺度效应提供了有效手段;(ii)刀具切削刃半径与切削深度相当是产生犁切现象的原因,从而造成介观尺度切削时的最小切削厚度现象;(iii)刀具前角对介观尺度切削最小切削厚度有显著的影响。(3)介观尺度下微细铣削力计算模型针对传统的铣削力模型不能适合微细铣削过程的问题,本文在介观尺度正交切削过程有限元仿真分析的基础上,应用滑移线场分析方法建立介观尺度切削力解析模型;并结合考虑最小切削厚度的切削厚度模型,构造出介观尺度下铣削过程铣削力的解析模型。以所开发的微型铣床为平台,采用0.1mm直径铣刀进行无氧铜(OFHC)铣削实验,验证了模型的有效性。采用实验与仿真结合的方法开展介观尺度铣削机理研究,得出结论:(i)当单齿进给量(ft)大于最小切削厚度时,产生微铣削尺度效应的主要原因是材料力学性能的尺度效应;(ii)当单齿进给量小于最小切削厚度时,剪切比能会随ft的减小出现很大的增加现象,主要是由介观尺度铣削由最小切削厚度现象使得加工过程中实际切削厚度的积累导致的。(4)考虑刀具磨损的介观尺度铣削工艺优化方法针对介观尺度铣削刀具易于磨损以及加工效率难以满足应用需求的问题,首先,以微型铣床为平台,采用0.1mm直径铣刀开展刀具磨损实验研究;在此基础上,基于所建立的微细铣削过程模型,建立能够同时考虑刀具磨损和介观尺度特征的微细铣削力模型和表面粗糙度模型;最后,以加工效率为目标,以铣削力和表面粗糙度为主要约束,并综合考虑微型机床系统约束,建立介观尺度铣削工艺优化模型,开展工艺优化研究,提高了系统的加工效率,为建立系统的介观尺度下微细铣削加工工艺理论提供了方法。本文围绕介观尺度铣削加工特点,在微细铣削加工机理和工艺优化方面开展了探索性的研究,从材料力学性能和切屑形成过程方面解释了尺度效应和最小切削厚度现象,为微小零件的加工工艺、质量控制以及面向微细制造的机床设计提供了一定的理论依据。