大尺寸薄鋁板的單點(diǎn)金剛石飛切加工工藝研究*

夏 歡,韓長慶,肖 虹

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

大尺寸薄鋁板的單點(diǎn)金剛石飛切加工工藝研究*

夏 歡,韓長慶,肖 虹

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

大尺寸薄鋁板在加工過程中容易變形，因此無法滿足使用要求，為了解決330mm×330mm×10mm薄鋁板的高表面粗糙度和面型精度要求，文章介紹了采用單點(diǎn)金剛石飛切機(jī)床，進(jìn)行了大尺寸薄鋁板件的超精密切削工藝技術(shù)研究，探索了裝卡方式和切削深度對表面粗糙度和面型的影響，優(yōu)化切削工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了330mm×330mm×10mm大尺寸薄鋁板件的加工精度要求。

薄鋁板；單點(diǎn)金剛石飛切；表面粗糙度；面型精度

0 引言

單點(diǎn)金剛石切削加工技術(shù)(SPDT)是20世紀(jì)80年代初期發(fā)展起來的新技術(shù)[1-6]，使用單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)，可以一次加工出納米級的高精度表面，效率高，廣泛應(yīng)用在有色金屬、有機(jī)材料等超精密加工領(lǐng)域。隨著切削加工理論的發(fā)展，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用于高精度光學(xué)塑性和脆性零件的超精密加工中[7-10]。

對于高精度的大尺寸薄鋁板的加工存在一些難點(diǎn)，如裝卡變形、內(nèi)部殘余應(yīng)力和表面加工殘余應(yīng)力在加工后釋放引起變形等。本文以單點(diǎn)金剛石飛切設(shè)備為加工手段，通過大量的工藝切削實(shí)驗(yàn)，掌握裝卡方式及切削參數(shù)對大尺寸薄鋁板的精度影響規(guī)律，并掌握了大尺寸薄鋁板的超精密切削加工工藝方法。

1 切削工藝分析

1.1 加工分析

要實(shí)現(xiàn)大尺寸薄鋁板的納米級加工表面，首先必須消除大尺寸薄鋁板材料的殘余內(nèi)應(yīng)力；其次解決大尺寸薄鋁板件的裝卡問題；再次確定切削深度、進(jìn)給速度以及主軸轉(zhuǎn)速。

1.2 切削實(shí)驗(yàn)方案

在單點(diǎn)金剛石飛切過程中，裝卡方式以及表面切削殘余應(yīng)力影響面型精度，切深(ap)、進(jìn)給速度(f)以及主軸轉(zhuǎn)速(s)影響表面粗糙度和表面質(zhì)量。因此，對大尺寸薄鋁板的切削工藝的實(shí)驗(yàn)主要是對上述工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)采用以下方式進(jìn)行研究：

(1)在不同的加工階段采用不同的裝卡方式，修正薄鋁板件的平面度及上下兩被加工面的平行度。

(2)通過切削實(shí)驗(yàn)找出切削深度引起的表面殘余應(yīng)力對面型的影響以及對加工表面質(zhì)量的影響。

(3)確定合理切深后，再確定進(jìn)給速率、主軸轉(zhuǎn)速兩個主工藝參數(shù)對薄鋁板加工表面的影響規(guī)律，得到最優(yōu)化的參數(shù)組合。

2 工藝實(shí)驗(yàn)研究

2.1 不同裝卡方式對面型的影響

采用真空吸具產(chǎn)生小真空吸力，再加兩點(diǎn)擋的方式進(jìn)行粗加工，如圖1所示；四點(diǎn)擋的方式進(jìn)行精加工，如圖2所示。

圖1 小真空吸力加兩點(diǎn)擋的裝卡方式

大尺寸薄鋁板經(jīng)過熱處理去內(nèi)應(yīng)力后，存在較大的變形，采用小真空吸力加兩點(diǎn)擋的方式進(jìn)行粗加工，可以比較快速的修正鋁板的平面度和兩面的平行度，提高加工效率。擋的時候每邊只能采用2點(diǎn)擋法，被加工件本身側(cè)面的小平面沒有平面度要求，擋條本身平面度也很差，如果采用面接觸會導(dǎo)致壓緊接觸點(diǎn)不對稱和夾緊力不好控制等問題，從而使得被加工件產(chǎn)生晃動，影響被加工件的粗糙度和表面質(zhì)量。因此，在每個擋條上安裝2個尖頭螺釘，可通過螺釘?shù)男D(zhuǎn)運(yùn)動來較為精確的調(diào)整夾緊力。擋條的凹槽剛度差容易變形，影響擋力的均勻性。因此，在凹槽外增加一個凹槽兩側(cè)的連接條，可使得擋條剛度增加，滿足使用要求。

圖2 四點(diǎn)擋的裝卡方式

粗加工后去掉真空吸力，開始采用四點(diǎn)擋的方式進(jìn)行精加工。精加工過程中的切削力只有3～5N，采用四點(diǎn)的螺釘頂緊力所產(chǎn)生的摩擦力大于切削力，所以被加工件不會產(chǎn)生相對于真空吸具的運(yùn)動，滿足加工要求。如果還采用真空吸力，當(dāng)加工完成后去除真空吸力，會引起薄鋁板10μm左右的變形，始終無法滿足加工要求。

由于切削加工過程中鋁板要噴油潤滑，使得被加工件與工作臺面之間存在油膜，真空吸力很大，取下被加工件時不能用力，否則將產(chǎn)生5μm左右的變形。加工后反向通氣，通過氣壓使被加工件基面與工作臺面分離，這樣可以保持被加工件的精度。

2.2 不同切深對表面殘余應(yīng)力及粗糙度的影響

取s=265r/min，f=2mm/min。進(jìn)一步分析切深對被加工件質(zhì)量的影響，取為ap=2μm、ap=3μm、ap=5μm、ap=8μm。得到不同切削深度條件下表面粗糙度。ap=8μm和2μm時，被加工件表面質(zhì)量普遍比ap=5μm和3μm時差，這說明切深ap對塑性材料的切削有重要影響，當(dāng)ap值太大時，被加工件表面殘余應(yīng)力大，導(dǎo)致后期變形；另外切深過大導(dǎo)致切削崩裂，影響被加工件的表面質(zhì)量，當(dāng)ap值太小時，被加工件表面的切削屬于擠壓切削，被加工件表面質(zhì)量出現(xiàn)急劇下降，出現(xiàn)裂紋，即ap值存在最優(yōu)值，在3-5μm之間。

2.3 不同進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)f值越小則越易實(shí)現(xiàn)塑性切削，但實(shí)際結(jié)果表明被加工表明粗糙度并不隨f的減小而單調(diào)減小，而是有一個極值。當(dāng)f太小時，閉環(huán)控制的振蕩量相對于f值變大，使刀具沿進(jìn)給方向運(yùn)動不均勻，從而造成加工表面粗糙度增大。這是受機(jī)床導(dǎo)軌定位與重復(fù)定位精度和導(dǎo)軌直線度的影響。

確定最佳切深和進(jìn)給速度后，改變轉(zhuǎn)速，測試機(jī)床的振動情況。機(jī)床本身存在一定的固有頻率，我們選擇的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量避免與機(jī)床產(chǎn)生共振，而導(dǎo)致被加工件表面質(zhì)量變差。

不同轉(zhuǎn)速下機(jī)床的振動情況如表1。

表1 機(jī)床不同轉(zhuǎn)速下導(dǎo)軌的垂直和水平方向振動 幅值與頻率的關(guān)系

在盡量采用高轉(zhuǎn)速的情況下，采用振幅最小時的轉(zhuǎn)速，為避開16.53Hz的高振幅，采用265r/min的轉(zhuǎn)速，圖3、4分別為265r/min時的垂直方向和水平方向的振動頻域圖。

圖3 垂直方向幅值和頻率關(guān)系圖

圖4 水平方向幅值和頻率關(guān)系圖

根據(jù)振動情況，確定主軸轉(zhuǎn)速為265r/min，切深為3μm，進(jìn)給速度為2mm/min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過上述工藝參數(shù)的優(yōu)化切削實(shí)驗(yàn)，在單點(diǎn)金剛石飛切設(shè)備中進(jìn)行了大尺寸薄鋁板零件(330mm×330mm×10mm)的切削加工工藝研究。切削參數(shù)選擇為：s=265r/min，f=2mm/min，ap=3μm，加工后實(shí)測薄鋁板的表面粗糙(Ra值)達(dá)到7.8nm，面型精度達(dá)到9.618μm。測量結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 330mm×330mm×10mm薄鋁板面型精度實(shí)測值

圖6 330mm×330mm×10mm薄鋁板表面粗糙度實(shí)測值

4 結(jié)論

本文對影響大尺寸薄鋁板的超精密切削因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括裝卡方式和切削參數(shù)，并通過系統(tǒng)的

切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和研究，優(yōu)化了裝卡方式和工藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了大尺寸薄鋁板零件的超精密加工。得出以下結(jié)論：

(1)裝卡方式影響被加工件的面型精度，對薄板件采用真空吸力，加工后去除真空吸力，薄板本身會產(chǎn)生變形，無法達(dá)到10μm以下的平面度要求。采用四點(diǎn)擋的方式可以提高被加工件的面型精度；

(2)切削三要素f、ap、s均對被加工件表面質(zhì)量有重要影響，在s=265r/min，ap=3μm，f=2mm/min時可取得較好的結(jié)果；

(3)機(jī)床導(dǎo)軌的運(yùn)動和控制精度決定了f值和ap值所能達(dá)到的最小值。

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(編輯 趙蓉)

Research on Single-point Diamond Fly-cutting Machining of Large Size Thin Aluminum Plates

XIA Huan, HAN Chang-qing, XIAO Hong

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China)

Manufacturing of large size thin aluminum plates with a high accuracy is very difficult due to distortion in machining process. In this paper, some preliminary experimental investigations for high-precisely manufacturing a large size thin aluminum plates (330mm in length, 330mm in width and 10mm in thickness) were performed by utilizing a single-point diamond fly-cutting machine. Based on the experimental results, the effects of alternate clamping methods and cutting depths on surface roughness and surface figure accuracy were studied. The required machining accuracies were reached with the evaluated optimum values of the processing parameters.

thin aluminum plate; single-point diamond fly-cutting; surface roughness, surface figure accuracy

1001-2265(2014)06-0106-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.029

收稿日期：2013-10-03；修回日期：2013-10-29

國家"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專項(xiàng)"強(qiáng)激光光學(xué)元件超精密制造關(guān)鍵裝備研制"課題資助(2013ZX04006011)

夏歡(1981—)，男，滿族，遼寧丹東人，中國工程物理研究院工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榭諝忪o壓支承技術(shù)，(E-mail) 15881424257@163.com 。

TH165;TG65

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