影響單點金剛石車削加工質(zhì)量的因素分析*

陰俊峰，張 洪

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

1 單點金剛石車削加工

單點金剛石車削技術(shù)(SPDT)是在超精密車床上，通過對機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精密控制，直接利用天然單點金剛石刀具對零件進(jìn)行車削的技術(shù)。目前，單點金剛石車削技術(shù)(SPDT)已經(jīng)較為成熟，能加工出微米及亞微米級形狀精度與納米級表面粗糙度的精密零件。故此，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等領(lǐng)域中，對非球面光學(xué)鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動器磁頭、磁盤基板、半導(dǎo)體基片等零件進(jìn)行加工（圖1）。這些零件的加工質(zhì)量決定其產(chǎn)品性能的好壞。

2 影響單點金剛石車削加工質(zhì)量因素分析

單點金剛石車削加工質(zhì)量包括零件尺寸、形狀精度與零件表面質(zhì)量兩個方面。而零件表面質(zhì)量的具體內(nèi)容又包括表面紋理(表面粗糙度、波度、紋理方向、傷痕)和表面冶金變化(表面層的硬度、組織、殘余應(yīng)力)。影響單點金剛石車削加工質(zhì)量的因素有很多，主要有刀具幾何角度、切削參數(shù)、機(jī)床性能、加工環(huán)境與材料特性等。

圖1 單點金剛石車削的零件

2.1 金剛石刀具

2.1.1 刃口鈍圓半徑與最小切削厚度

一般而言，刀具越鋒利，加工表面質(zhì)量越好，其表面殘余應(yīng)力與表面粗糙度越小。而刃口鈍圓半徑r（圖2）是反映刀具鋒利程度的關(guān)鍵參數(shù)。目前，工業(yè)中金剛石刀具的刃口鈍圓半徑約在0.2～0.6 μm之間。

表1 常用材料刀具的刃口鈍圓半徑[1]

圖2 圓弧刃口切削模型

同時，刃口鈍圓半徑r與零件的最小切削厚度有著密切的聯(lián)系。如圖2，在切削刃鈍圓圓弧上任意一點A，存在切向分力Fz與法向分力Fy。切向分力Fz使質(zhì)點前移，形成切屑；法向分力Fy使質(zhì)點壓向被加工表面，形成擠壓而無切屑形成。當(dāng)Fz＞Fy時，刀具有切削過程，形成切屑；當(dāng)Fz＜Fy時，刀具對零件擠壓，切屑無法形成[2]。故可以在切削刃圓弧上找到一個點M，在這點上Fz=Fy。在M點以上的金屬可以形成切屑；在M以下的金屬則不能與基體分離。根據(jù)圖2中幾何關(guān)系有：

β—金剛石車刀車削時的摩擦角；

μ—金剛石刀具與零件的摩擦系數(shù)；

r—金剛石刀具的刃口鈍圓半徑。

將式（1）整理代入式（2）中，并化簡得到如下公式：

在實際切削過程中，若背吃刀量小于最小切削厚度，刀具對零件只有擠壓而不能形成切屑；若背吃刀量接近于最小切削厚度，彈性變形與塑性變形同時發(fā)生，名義切削厚度與實際切削厚度有較大偏差；當(dāng)背吃刀量遠(yuǎn)大于最小切削厚度時，實際切削厚度幾乎等于名義切削厚度[3]。故在進(jìn)行單點金剛石車削加工時，在其他條件允許之下，應(yīng)使背吃刀量取較大值，確保零件的實際切削厚度等于名義切削厚度。

2.1.2 刀具幾何角度

零件的加工制造大部分是通過刀具對零件的成形運動實現(xiàn)的，而金剛石刀具幾何角度的選擇對整個切削過程有很大的影響。一般而言，刀具前角影響切削難易程度，而過大的前角會降低刀尖強(qiáng)度。通常零件硬度越高，刀具前角越小。刀具后角可以減小主后刀面與加工表面間的摩擦。粗加工時，為保證刀具的強(qiáng)度，后角取小值，精加工時可取較大值。對于不同的零件材料，其加工刀具的最佳幾何角度也不相同。在車削有色金屬元件時，金剛石刀具的前角為0°或小的正值前角。但以同樣前角的刀具車削紅外晶體或激光晶體將會引起晶格不同程度的破壞，使零件表面“發(fā)圬”，粗糙度急劇變大。表2列舉了一些常用材料，其刀具相應(yīng)的前角和后角。2.1.3金剛石刀具切削參數(shù)

表2 常用材料的金剛石幾何角度[4]

（1）進(jìn)給量

如圖3，根據(jù)金剛石切削刃的幾何形狀和刀具每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，可以計算零件的理論表面粗糙度Rth：

其中，f為刀具每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量(μm/r)；R為金剛石刀具圓弧半徑(mm)。當(dāng)進(jìn)給量小到一定程度時，進(jìn)給量對零件表面粗糙度的影響減弱，刀具和零件間的相振動與刀具幾何角度成為影響零件表面粗糙度的主要因素。

圖3 金剛石表面車削理論輪廓

（2）切削速度

當(dāng)切削速度較小時，由于切削溫度較低，容易形成積屑瘤；同時切屑與零件過小的分離速度使切屑對零件表面產(chǎn)生硬損傷。這些因素的共同作用導(dǎo)致零件加工質(zhì)量變差。

當(dāng)切削速度較大時，摩擦產(chǎn)生熱的時間短，來不及在刀具內(nèi)部傳導(dǎo)，導(dǎo)致切削區(qū)域溫度升高，加速刀具磨損。同時，過大的主軸轉(zhuǎn)速，其動平衡誤差也將對零件表面粗糙度產(chǎn)生影響。

（3）切削深度

對于某一特定零件而言，在轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量一定的情況下，對應(yīng)一個“臨界切削深度”以獲得最佳表面粗糙度。

當(dāng)切削深度大于臨界切削深度時，切削深度越大，切削力越大，切削變形越大，零件表面殘留高度越高，殘余應(yīng)力越大，粗糙度增加；當(dāng)切削深度小于臨界切削深度時，隨著切削深度減小，有效切削值越小，零件材料抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，同時，金剛石刀具刃口對零件的擠壓和摩擦迅速加大導(dǎo)致刀具刃口磨損加劇，最終導(dǎo)致零件表面粗糙度急劇增加，同時表面殘余應(yīng)力也增大。表3列出一些常用材料的切削參數(shù)。

表3 常用材料切削用量表

2.1.4 刀具中心與主軸中心的重合

刀具中心與主軸中心是否重合將影響零件的形面精度。如圖4所示，當(dāng)?shù)毒邎A弧中心不在零件主軸心上時，在車削零件端面時會在零件中心產(chǎn)生“圓柱”或“圓錐”。因此，調(diào)整刀架的位置使刀具的中心與機(jī)床回轉(zhuǎn)主軸重合是單點金剛石車削加工必不可少的過程。其具體方法是在塑料基體上試車一平面，然后在高倍工具顯微鏡下觀察車削表面情況，通過判斷留有凸臺的形狀來調(diào)整刀具與回轉(zhuǎn)主軸的相對位置直到凸臺消失。

圖4 金剛石車削端面示意圖

2.2 機(jī)床性能

超高精密機(jī)床是單點金剛石車削的基礎(chǔ)，其精度直接決定了零件的精度。單點金剛石機(jī)床的總體精度是由主軸、導(dǎo)軌、床身、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各組成部分精度的綜合體現(xiàn)。為達(dá)到超精密加工要求，單點金剛石車削機(jī)床精度比普通車床精度高好幾個數(shù)量級。

目前，單點金剛石車削機(jī)床的主軸廣泛采用回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)精度高的空氣靜壓軸承和液體靜壓軸承，但這兩類軸承由于自身的性能，對超精密加工精度也有一定的影響，其主要原因是空氣靜壓軸承的剛度低且容易出現(xiàn)振動；液體靜壓軸承在工作過程中易發(fā)熱，會引起主軸的熱變形。

同時，超精密機(jī)床導(dǎo)軌應(yīng)具備導(dǎo)向精度高、低速運動平穩(wěn)、熱變形小、剛性高等特點。因而，超精密加工的機(jī)床多采用空氣靜壓導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌。這兩類導(dǎo)軌對超精密加工影響的主要原因有：空氣靜壓導(dǎo)軌的剛度與承載能力較小。雖然由于空氣膜的存在使導(dǎo)軌零件的誤差有均勻化的效果，但導(dǎo)軌的直線度不易被勻化。液體靜壓導(dǎo)軌剛度大，受外界干擾小，可以達(dá)到更高的控制精度，但必須考慮發(fā)熱問題，另外對油的清潔度有較高的要求。對于單點金剛石車削機(jī)床其基本要求如下。

（1）高精度。包括高的動精度與靜精度。目前超精密機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度約在0.03～0.05 μm（有些機(jī)床甚至能達(dá)到0.025 μm），導(dǎo)軌運動精度0.1～0.2 μm/250mm，定位精度0.01 μm，重復(fù)定位精度0.006 μm，進(jìn)給分辨率0.003～0.008 μm[5]。

（2）高剛度。包括靜剛度，動剛度與熱剛度。目前，超精密切削機(jī)床剛度一般為108～109N/m。

（3）高穩(wěn)定性和高自動化。設(shè)備在經(jīng)運輸、存儲以后，在規(guī)定的工作環(huán)境下使用，應(yīng)能長時間保持高精度與穩(wěn)定性。同時，高的自動化程度可以盡量避免人的介入，以減小因操作者失誤而引起的隨機(jī)誤差。

2.3 加工環(huán)境

2.3.1 溫度、濕度、潔凈度

溫度變化對機(jī)床加工精度的影響十分明顯。有文獻(xiàn)指出，包括環(huán)境溫度變化在內(nèi)的熱因素引起的加工誤差占總加工誤差的40%～70%。實驗表明，當(dāng)環(huán)境溫度變化±1℃每15～20 min，可使被加工零件表面產(chǎn)生0.5 μm左右的波紋。一般情況下，超精密加工要求溫度變動范圍控制在±0.05℃之內(nèi)，相對濕度控制在30%～45%之間，一般超精密加工要求的潔凈度在1 000～100級左右，即每立方米空間0.5 μm大小的塵埃不多于35 000～3 500。

2.3.2 振動

單點金剛石車削中，刀具與零件之間的相對振動，對零件的形面精度與表面粗糙度有較大影響。如圖5所示。

振動按來源可分成兩類：一是機(jī)床等加工設(shè)備產(chǎn)生的振動，二是來自加工設(shè)備外部，由地基或空氣傳入的振動。

對于外界振動可以通過以下途徑解決：對于自然振源，如風(fēng)產(chǎn)生的振動，可以通過封閉式精密間隔離其影響；且精密間附近不應(yīng)有鐵路、繁華的公路等；在加工過程中嚴(yán)格控制加工場所內(nèi)人員走動；設(shè)備應(yīng)有獨立地基，地基周圍鋪設(shè)吸振材料，并且在周圍開設(shè)隔振溝。

對于機(jī)床自身振動則有以下措施：通過彈性聯(lián)軸節(jié)降低電機(jī)的振動；對機(jī)床回轉(zhuǎn)件進(jìn)行平衡處理，使其不平衡量小于0.2 g；提高機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)的精度；控制每刀的切削量，減小振動沖擊；嚴(yán)格控制精密加工間的溫度，避免機(jī)床和被加工零件由于溫度變化引起切削厚度變化而導(dǎo)致的振動。

圖5 機(jī)床的振動使零件表面形成“蛇紋”[6]

值得注意的是，使用隔振溝和防振地基，只能對高頻振動起到較好的隔離作用，對于低頻的振動則難以隔離。對于低頻振動的阻隔，通常使用隔振氣墊系統(tǒng)，例如美國DTM-3型金剛石車床就使用了空氣彈簧隔振系統(tǒng)，隔振后軸承部件的相對振幅為2 nm，并有效防止1.5～2 Hz的外界振動傳入[7]。

2.4 影響單點金剛石車削加工質(zhì)量的其他因素

除上述因素之外，零件材料特性，氣源波動也會對單點金剛石車削的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

零件材料特性指零件的強(qiáng)度、硬度、應(yīng)力分布、材料表面缺陷及晶粒的大小與取向。實踐證明，材料硬度越高，金相組織的粒度越細(xì)，越易獲得較小的表面粗糙度值，如GCr15軸承鋼經(jīng)淬硬到HRC60以上，較易得到極細(xì)的光潔表面。

有實驗表明，在供氣壓力在450 kPa下，壓力波動在-60～100 kPa時，零件被加零件表面會產(chǎn)生周期為（15～20）min，幅值為2.9 μm的周期性波紋，嚴(yán)重影響零件精度[8]。為減小氣源波動，可以使用儲氣罐和超精密減壓閥以穩(wěn)定壓縮空氣的波動量。

3 結(jié)束語

本文對影響單點金剛石車削加工質(zhì)量的幾種主要因素進(jìn)行了分析，指出機(jī)床性能、刀具幾何角度、切削參數(shù)，加工環(huán)境、零件的材料特性與氣源波動等因素對加工質(zhì)量具有顯著影響，并提出一些解決措施。本文所分析的內(nèi)容為單點金剛石車削加工的改進(jìn)，提高零件加工質(zhì)量提供一定的參考。

［1］王先逵.超精密切削加工用的金剛石刀具［J］.上海機(jī)床，1993（1）：20-23.

［2］王先逵.機(jī)械加工工藝手冊（單行本）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］石文天.微細(xì)切削技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］李軍琪.紅外衍射光學(xué)元件的金剛石車削研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

［5］夏歡，吉方，陶繼忠，等.超精密零件加工的影響因素 分 析 ［J］.機(jī) 械 設(shè) 計 與 制 造 ，2012（12）：134-136.

［6］李馳娟，孫昌峰，孟凡波，等.單點金剛石車削技術(shù)的 研 究 ［J］.激 光 與 紅 外 ， 2009， 39（12）：1341-1343.

［7］權(quán)艷紅.影響單點金剛石超精密車削加工精度因素的研究［J］.裝備制造技術(shù)，2013（2）：84-86.

［8］張家驊.超精密加工關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.化學(xué)工程與裝備，2008（12）：111-112.