超精銑削轉(zhuǎn)鼓六面體反射鏡面的金剛石銑刀頭

陳定一 孫 楠 鄔弘毅

（①合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230069;②深圳市中天超硬刀具有限公司，廣東深圳 518101;③合肥工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，安徽合肥 230009;④安徽新華學(xué)院公共課程部，安徽合肥 230088）

超精銑削轉(zhuǎn)鼓六面體反射鏡面的金剛石銑刀頭

陳定一①孫 楠②鄔弘毅③④

（①合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230069;②深圳市中天超硬刀具有限公司，廣東深圳 518101;③合肥工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，安徽合肥 230009;④安徽新華學(xué)院公共課程部，安徽合肥 230088）

簡要介紹超精銑削轉(zhuǎn)鼓六面體反射鏡面的金剛石銑刀頭的結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和主要工藝。通過詳細(xì)計(jì)算和比較闡明了具有凸圓弧前刀面的金剛石銑刀頭能銑削粗糙度Ra值達(dá)到幾個(gè)納米，反射鏡面的波紋度P－V值達(dá)亞微米級(jí)的理論依據(jù)。

超精銑削 轉(zhuǎn)鼓六面體 金剛石銑刀頭 表面粗糙度 波紋度 殘余面積 曲率半徑

超精密加工是尖端技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展不可缺少的關(guān)鍵手段，不僅廣泛地應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域，同樣也大量地應(yīng)用于高端民用領(lǐng)域。鋁質(zhì)轉(zhuǎn)鼓六面體反射鏡面的技術(shù)要求極高，其表面粗糙度Ra值約為幾個(gè)納米，平面波紋度P－V值約為亞微米級(jí)，目前只有用金剛石刀作超精切削才能完成。本文將對(duì)切削轉(zhuǎn)鼓六面體反射鏡面的金剛石銑刀頭的有關(guān)問題作簡要介紹和分析。

1 超精銑削銑刀頭

銑刀頭的廓形及結(jié)構(gòu)如圖1，右下角為刀頭產(chǎn)品圖。銑刀頭在刀盤中安裝和工作如圖2。銑刀盤自身旋轉(zhuǎn)，且與工件有相對(duì)移動(dòng)，即走刀，從而銑出六面體的平面。第一次綜合銑削時(shí)通常在刀盤的不同直徑處均布地安裝三把刀頭，最外側(cè)刀頭1擔(dān)任粗銑，中間的刀頭2擔(dān)任半精銑，而靠近中心的刀3擔(dān)任精銑，刀頭間伸出的距離差，為半精銑、精銑的銑削深度。然后用單刀在小切削用量情況下作一次精銑，使表面粗糙度Ra達(dá)到幾個(gè)納米，平面波紋度P－V值達(dá)亞微米級(jí)。

1.1 切削部材料

優(yōu)質(zhì)的天然金剛石幾乎是唯一的選擇。天然金剛石具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，是目前自然界最硬和最耐磨的物質(zhì);與其它任何刀具材料相比，它的線膨脹系數(shù)最小，導(dǎo)熱性最好，彈性模量最大，這些明顯地有利于超精加工的尺寸和廓形精度的控制。此外，也只有金剛石刀具才能做出極小的刀刃鈍圓半徑和平滑完美的刃口，這對(duì)獲得小的表面粗糙度值和良好的表面完整性極為重要。

1.2 焊接式結(jié)構(gòu)

為了便于刃磨圓弧形前刀面而采用焊接式結(jié)構(gòu)。為避免可能出現(xiàn)的焊接裂紋而采用熱膨脹系數(shù)與金剛石相近的牌號(hào)為YG8的硬質(zhì)合金作為過渡層。金剛石固有的物理、化學(xué)性質(zhì)使得與一般材料的焊接相比變得十分困難，主要表現(xiàn)為濕潤性差，高溫時(shí)極易氧化或石墨化。我們采用成分為 Ag64.8%，Cu26.7%，Ti4.5%，熔點(diǎn)為830～860℃的低溫銀焊料在95%氬和5%氫的惰性氣體保護(hù)下焊接，并用電阻加熱的方法來實(shí)現(xiàn)金剛石的焊接，不但能一次加熱完成焊接，而且有較好的濕潤性和形成化學(xué)鍵結(jié)合，使焊縫良好和有滿意的焊接強(qiáng)度。這種工藝非常適合于工廠生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用。

1.3 刀具主要幾何參數(shù)

1.3.1 前角γ和前刀面類型

前角γ是刀具的重要幾何參數(shù)之一，它的大小決定著切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度，影響整個(gè)切削過程，它是由被加工材料來決定的，為鋁時(shí)可在－3～10℃間選取。一般前刀面為平面，偶爾為曲凹面，以利于排屑和卷屑。今采用凸圓弧面，除可減小對(duì)刀難度外，非?？少F的是能極大地減小表面理論粗糙度值，但對(duì)凸圓弧前刀面的加工提出了極高要求，為此前刀面刃磨是在英國Corbon公司出產(chǎn)的PG3B型金剛石圓弧行星刃磨機(jī)床上進(jìn)行。機(jī)床為高精度氣浮軸承，主軸跳動(dòng)≤1 μm，除能自轉(zhuǎn)外還具有繞機(jī)床床頭中心旋轉(zhuǎn)的行星運(yùn)動(dòng)，使磨削極為平穩(wěn)外，還能克服天然金剛石各向異性所引起的磨削不均勻的缺陷;安裝工件（銑刀頭）的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)除了采用高精度氣浮軸承外，還用了力矩電動(dòng)機(jī)和與之相連的光柵作為運(yùn)動(dòng)的測(cè)量和控制部件，極大地提高了加工的平穩(wěn)性、均勻性和精度，可避免擋塊控制式換向時(shí)可能出現(xiàn)的一致性差和沖擊振動(dòng)。

1.3.2 長修光刃

具有副偏角К′γ為0°的長修光刃，它的長度為L可在3～4 mm間選取。當(dāng)前刀面為平面時(shí)，修光刃為一直線，長度遠(yuǎn)大于走刀量時(shí)，理論上可全部去除切削殘余面積，但對(duì)刀十分困難，即難以保證修光刃完全與走刀方向一致，也就不可能全部去除切削殘余面積。前刀面改為凸圓弧后，修光刃不是直線而是橢圓的一部分，它使對(duì)刀十分方便，表面粗糙度值和切削殘余面積都可控制得極小。

1.3.3 后角α和棱邊c

后角的主要功能是減小切削過程中刀具后刀面與工件表面間的摩擦，當(dāng)前角γ一定時(shí)，后角的大小將影響刀刃的強(qiáng)度和鋒利程度，可在5°～15°間選取。金剛石刀面經(jīng)研磨后粗糙度值可小至幾個(gè)納米，當(dāng)后刀面有擠壓熨平作用時(shí)能很好地改善工件的表面粗糙度。為此修光刃的第一后角取0°～3°，棱邊c取0.15～0.2 mm。第一后角過小和棱邊過寬易存屑而擦傷工件;反之，則擠壓熨平作用減小。刀面的研磨是在英國Corbon公司出產(chǎn)的高精度研磨機(jī)上進(jìn)行。研盤的端跳控制在小于0.003 mm，且作良好的動(dòng)平衡。

2 超精銑削理論表面粗糙度和切削殘余面積的計(jì)算

切削過程中修光刃決定著理論表面粗糙度和切削殘余面積的大小，可由圖3清楚地表示。有著半徑值為R的凸圓弧前刀面的銑刀頭按轉(zhuǎn)速n（r/min）繞刀盤中心P旋轉(zhuǎn)，以走刀速度f（mm/r）相對(duì)于工件移動(dòng)，刀頭的刀尖O經(jīng)1轉(zhuǎn)后移動(dòng)到O′點(diǎn)，從而銑出平面。由后角α1決定的第一后刀面AO與凸圓弧前刀面相交形成修光刃，它為橢圓的一部分，切削刃ode…為橢圓上各相應(yīng)點(diǎn)。此時(shí)橢圓的：長半軸a=R/cosα1，短半軸 b=R，中心坐標(biāo)為（0，R/cosα1），方程為

實(shí)際切削過程中切削刃上頂點(diǎn)O首先接觸工件開始切削，然后刀頭切削刃上相應(yīng)點(diǎn)de…在刀盤旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)中逐次接觸工件，相當(dāng)于de…等投影到OB面上所形成的Od′e′…刀刃作為實(shí)際的切削刃來完成銑削?？梢宰C明Od′e′…形成的刀刃仍為橢圓的一部分，只是此時(shí)橢圓的：長半軸a=R，短半軸b=R·tanα1，中心坐標(biāo)為（0，Rtanα1），方程為

刀頭移動(dòng)f后的方程為

此時(shí)中心坐標(biāo)為（f，Rtanα1）。

2.1 理論表面粗糙度Rmax

聯(lián)立式（1），（2）可求出交點(diǎn)，其中y的最小值y0即為理論表面粗糙度值，經(jīng)計(jì)算有：交點(diǎn)：x=f/2

理論表面粗糙度為Rmax

2.2 切削殘余面積A殘

由圖3可知，切削殘余面積 A殘為 Oy0O′所包面積，即對(duì)橢圓該線段積分，便能求得殘余面積。由式（1）得：

2.3 實(shí)際切削刃Od′e′…中O點(diǎn)的曲率半徑ρ為

3 實(shí)例

凸圓弧前刀面實(shí)際使用參數(shù)為：α1=3°;f=0.06 mm;ap=0.03 mm;R=40 mm，代入式（3）、（5）、（6）得：

理論粗糙度為

由此可見，雖只做了R=40 mm的凸圓弧前刀面，卻得到了曲率半徑約700 mm的實(shí)際圓弧切削刃，因此極大地（幾個(gè)數(shù)量級(jí)）減小了表面粗糙度值和殘余切削面積。

4 裝刀誤差的影響

4.1 凸圓弧前刀面銑刀頭的情況

設(shè)裝刀誤差為繞刀桿軸線順時(shí)針偏了β角度，如圖4。P和P′為新切點(diǎn)，Py0P′所包面積即為切削殘余面積。（為節(jié)約篇幅，推算從略）。

（1）理論表面粗糙度Rmax

若偏差為1°，即為β=1°，代入上式得：Rmax=6.900 495 9×10－7mm≈0.69 nm

（2）切削殘余面積

若偏差為1°，即以 β =1°，R=40，α1=3°，f=0.06代入上式得：A殘=1.380 099 1×10－8mm2

其中：x1、xm、x2、分別為 P1、y0、P2（圖 4）點(diǎn)坐標(biāo)。

4.2 平前刀面直線長修光刃（L?f）銑刀頭的情況

如圖 5，Кγ=45°，К′γ=0°，此時(shí)，Rmax=0，A殘=0，ρ=∞。但由于對(duì)刀的誤差，即使只有1°的誤差，也使理論表面粗糙度值和切削殘余面積顯著增大。如圖5所示，Oy0O′所包面積為切削殘余面積，今按 К′γ=1°，Кγ=44°，f=0.06 mm/r，計(jì)算各值為：

（1）理論表面粗糙度

（2）切削殘余面積

4.3 平前刀面大圓弧刃（R?f）銑刀頭的情況

如圖6，今按R=40 mm，f=0.06 mm/r計(jì)算各值為：

（1）理論表面粗糙度

（2）理論殘余面積

表1

（3）刀尖O點(diǎn)曲率半徑ρ

5 分析與討論

為了分析和討論方便，將上述各計(jì)算列成表1所示。由表1可知平前刀面長直線修光刃銑刀頭加工的表面理論上最光，但對(duì)刀不可能絕對(duì)準(zhǔn)，即理論表面粗糙度和切削殘余面積不為0。實(shí)際上凸圓弧前刀面銑刀頭加工的表面粗糙度值最小，能優(yōu)于Ra0.006 3 μm。其次是平前刀面大圓弧銑刀頭，為便于比較將刀頭圓弧做成R=40 mm，此時(shí)表面粗糙度值約達(dá)Ra0.04～0.10 μm，實(shí)際應(yīng)用中R=2 mm已經(jīng)很大了，粗糙度Rmax只能做到=0.225 μm。平前刀面大圓弧銑刀頭對(duì)刀敏感性最小，即使對(duì)刀有偏差，只要切削仍在刀具圓弧段進(jìn)行，粗糙度Rmax和殘余面積A殘都沒有變化。平前刀面長直線修光刃銑刀頭對(duì)刀敏感性最大，即使只有1°的偏差，粗糙度和殘余面積都有明顯增大，分別為1.028 7 μm 和 3.086 ×10－5mm2。凸圓弧前刀面銑刀頭對(duì)刀敏感性極低，當(dāng)存在對(duì)刀偏差同為1°時(shí)，粗糙度和殘余面積雖然都有增大，但極不明顯，粗糙度和切削殘余面積分別為0.690 05 nm2和1.380 1 ×10－8mm2。

由此可見，有著凸圓弧前刀面和0°副偏角長修光刃的銑刀頭不僅能實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Ra值只有幾個(gè)納米。波紋度P－V值為亞微米級(jí)的超精銑削。銑削中機(jī)床可能有微小振動(dòng)，工件可能存在1～2 μm的彈性恢復(fù)，實(shí)際值會(huì)略大于理論值，但仍能滿足零件的技術(shù)要求，此外對(duì)刀十分方便，因此非常適合于生產(chǎn)環(huán)境中推廣和應(yīng)用。

6 結(jié)語

至今國內(nèi)在刀具設(shè)計(jì)和制造方面很少應(yīng)用此技術(shù)，實(shí)屬可惜。通過本文的介紹和分析，希望能引起國內(nèi)切削界的注意和重視。在具備圓弧前刀面和能滿足如排屑強(qiáng)度等條件下，進(jìn)行超精削時(shí)盡量采用和推廣技術(shù)。

1 章錦華.精密切削理論與技術(shù)［M］.上海：上?？萍汲霭嫔?，1966.

2 陳日耀.金屬切削原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

3 張建明.現(xiàn)代超精密加工技術(shù)和裝備的研究與發(fā)展［J］.航空精密制造技術(shù)，2008（1）

4 陳定一，孫楠.超精金剛石刀具的特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2008（9）

5 劉敏，陳定一.超精密車削單晶硅菲涅爾光學(xué)元件的金剛石車刀試制［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（8）：16～19

6 陳定一.單晶金剛石刀具的設(shè)計(jì)分析［J］.新技術(shù)新工藝，2006（5）

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Diamond Milling Head for Ultra－precision Milling The Reflector Face of Hexahedron of Revolving Drum

CHEN Dingyi①，SUN Nan②，WU Hongyi③④
（①College of Mechanicsand Auto Engineering，Hefei University of technology，HeFei 230069，CHN;②Juntec Ultra－h(huán)ard Tools Co.Ltd，Shenzhen 518101，CHN;③College of Mathematics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，CHN;④Department of Common Couses，Anhui Xinhua College ，Hefei 230088 ，CHN）

The paper brief introduces the structure，geometrical parameter and main process of diamond milling head which Ultra－precision mill the reflector face of hexahedron of revolving drum.Through detailed consideration and comparison，we obtain theoretical basis that diamond milling head with tool face having protuberant arc can mill reflector face with roughness Rato several nanometre and plane waviness P－V to submicron.

Ultra－precision Mill;Hexahedron of Revolving Drum;Diamond Milling Head;Surface Roughness;Waviness;Remaining Area;Radius of Curvature

陳定一，男，1933年生，教授，主要從事金屬切削原理、刀具的教學(xué)、研究、設(shè)計(jì)和制造;已發(fā)表論文25篇左右。

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2009－10－28）

10330