鋁合金手機(jī)外殼超精密鏡面加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)佳亮 張孝輝 馬新強(qiáng) 王志偉 朱莉莉

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124)

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金的需求日益增多，要求鋁合金在超精密鏡面加工方面的研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金的各種加工技術(shù)(車削、銑削，磨削，研磨等)不斷發(fā)展，同時(shí)各種技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。本文采用機(jī)械研拋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金手機(jī)外殼的超精密鏡面加工，獲得了鋁合金手機(jī)外殼表面粗糙度Ra為0.026 μm 的加工表面。

1 研拋的基本原理

機(jī)械研拋是在一定的壓力和轉(zhuǎn)速條件下，通過研拋盤和被加工工件之間添加研拋液，依靠微細(xì)磨粒的機(jī)械作用，對(duì)被加工工件表面進(jìn)行微量去除，來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的超精密鏡面加工要求。

本實(shí)驗(yàn)采用精密超精密鏡面研拋技術(shù)對(duì)鋁合金手機(jī)殼進(jìn)行超精密鏡面加工。研拋原理如圖1 所示，在加工初期，被加工件材料以研磨去除形式為主，磨粒以滑動(dòng)和滾動(dòng)的方式對(duì)工件表面進(jìn)行犁耕和刮檫去除;同時(shí)在適當(dāng)?shù)膲毫ψ饔孟?，磨粒發(fā)生破碎、磨鈍的磨粒數(shù)量增多，尺寸變小，棱角變鈍，切削作用逐漸減弱，此時(shí)在加工過程中磨粒主要以摩擦的方式對(duì)工件表面進(jìn)行拋光去除，使加工面粗糙度值充分減小。在此基礎(chǔ)上，研拋液中的添加劑在被加工表面形成一層附著膜，隨著工件表面平整化的進(jìn)一步提高，磨粒尺寸的進(jìn)一步減小和均勻化，磨粒與附著膜融為一體，形成平整性、柔韌性和均勻性都很好的拋光膜對(duì)表面進(jìn)行柔性拋光去除，隨著新表面和新附著膜的交替生成和去除，被加工表面質(zhì)量也越來越好，從而達(dá)到較小的表面粗糙度值。

圖1 研拋加工示意圖

2 研拋條件及工藝參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械研拋技術(shù)對(duì)鋁合金手機(jī)外殼進(jìn)行超精密鏡面加工試驗(yàn)。鋁合金手機(jī)外殼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和實(shí)驗(yàn)條件如表1 所示，工藝參數(shù)如表2 所示。

表1 鋁合金手機(jī)外殼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和實(shí)驗(yàn)條件

表2 研拋的工藝參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)效果及分析

在以上條件下，結(jié)合鋁合金的化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行分析。采用控制變量法，通過分別改變壓力大小、研拋液磨粒大小，研拋墊的粗細(xì)度、研拋液的種類等參數(shù)對(duì)鋁合金手機(jī)外殼進(jìn)行機(jī)械研拋實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行優(yōu)化組合，獲得表面粗糙度Ra為0.026 μm 的加工表面。研拋效果和粗糙度測量結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2 研拋效果

圖3 粗糙度效果

4 研拋參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律

4.1 研拋壓力對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律

保持其他因素不變，改變研拋壓力大小，對(duì)加工表面有顯著的影響。在一定范圍內(nèi)，研拋壓力越大工件的加工效率越高，但粗糙度隨之也不斷變大。當(dāng)壓力大于6 kPa 時(shí)，磨料破碎嚴(yán)重，同時(shí)研拋液被擠出，甩向四周，導(dǎo)致工件與研磨基盤之間的研拋液不充分，使研拋不均勻，容易在加工表面出現(xiàn)麻點(diǎn)或凹坑，加工出來的工件表面質(zhì)量不高。

當(dāng)壓力小于2 kPa 時(shí)，磨粒不容易破損，難以在加工表面產(chǎn)生刮痕，對(duì)待加工表面材料的切除很慢，導(dǎo)致研拋效率很低。

因此，在保證其他因素不變的條件下，控制研拋壓力在2～6 kPa 之間可以讓工件和研拋基盤之間有充盈的研拋液，磨粒被壓碎變細(xì)，露出新的表面和銳角，對(duì)待加工表面進(jìn)行良好的切削碾壓，從而形成良好的加工表面。

4.2 拋光墊對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律

拋光墊是機(jī)械研拋加工中重要的組成部分，拋光墊必須具有良好的耐腐蝕性、親水性以及機(jī)械力學(xué)特性。拋光墊的硬度和表面粗糙度對(duì)加工表面的精度和去除率有直接的影響。

當(dāng)拋光墊(棉布、細(xì)毛氈)表面粗糙度值較大時(shí)，拋光墊與待加工表面之間的空隙大，接觸面積小，使拋光墊與工件之間可以存儲(chǔ)充足的拋光液，工件的待加工表面能夠充分地與拋光液接觸。單個(gè)磨粒上的作用力增大，去除率高，有利于提高加工效率。同時(shí)表面粗糙，待加工表面去除的殘留物質(zhì)停留在拋光墊里面不能及時(shí)排出，對(duì)已加工表面產(chǎn)生劃傷。

當(dāng)拋光墊(皮革)粗糙度值極小時(shí)，拋光液充盈不夠，加工效率降低。但是可以把加工產(chǎn)生的殘留物質(zhì)及時(shí)排除，不容易產(chǎn)生刮傷。

本實(shí)驗(yàn)采用絲綢作為拋光墊時(shí)，獲得了較好的表面質(zhì)量，粗糙度Ra可達(dá)0.026 μm。

4.3 研拋液對(duì)加工表面粗糙度的影響

從圖4 可以看出，研拋液Ⅱ的研拋效率要比研拋液Ⅰ低一些，但是，可以達(dá)到更小的表面粗糙度值。這主要是由于兩種研拋液磨粒大小不同的緣故。在其他研拋參數(shù)一定的條件下，磨粒粒度越小，單位面積上單個(gè)磨粒的作用力也越小，對(duì)工件表面材料的去除量也相應(yīng)的減少，加工效率降低;但是，隨著研拋的進(jìn)行，研拋液Ⅱ中可以形成更多、更細(xì)的磨粒，使加工過程中有更多的磨粒參與，可以獲得更高的表面質(zhì)量和較小的粗糙度值。

圖4 研拋液Ⅰ和研拋液Ⅱ的效果比較

4.4 工件表面形態(tài)分析

圖5 和圖6 是鋁合金手機(jī)外殼在機(jī)械研拋加工下的工件表面形貌SEM 圖。加工后的工件表面紋路工整清晰，沒有大塊的刮傷、凹坑。但是，從下面兩圖可以看出粒度為W1 的金剛石研拋液加工后的工件表面刮痕要比W0.5 的多。其主要原因是工件在研拋時(shí)，使用的磨料磨粒粒度越小，在加工過程越會(huì)形成更多、更細(xì)的磨粒，從而使單位面積上與工件加工表面接觸的磨粒越多，研拋后留下的劃痕越微弱?？梢姡琖0.5粒度的磨料加工后的表面質(zhì)量較好。

圖5 研拋液Ⅰ加工后表面形貌

圖6 研拋液Ⅱ加工后表面形貌

5 結(jié)語

在采用機(jī)械研拋技術(shù)對(duì)鋁合金手機(jī)外殼的加工過程中，對(duì)其研拋效果和加工效率進(jìn)行分析得到以下結(jié)論:

(1)鋁合金手機(jī)外殼經(jīng)過機(jī)械研拋加工之后，獲得了表面粗糙度為0.026 μm 的加工表面。

(2)在機(jī)械研拋過程中，研拋壓力、拋光墊的不同對(duì)加工表面的粗糙度有明顯的影響，把研拋壓力控制在2～4 kPa 范圍內(nèi)，選用絲綢作為拋光墊，對(duì)鋁合金手機(jī)外殼進(jìn)行加工時(shí)，獲得表面粗糙度Ra為0.026 μm 的加工表面。

(3)研拋液的不同對(duì)材料的加工精度有明顯的影響，本實(shí)驗(yàn)采用研拋液Ⅰ(W1 粒度金剛石1∶2 倍煤油+少量動(dòng)物油和植物油)和研拋液Ⅱ(W0.5 粒度金剛石1∶1 倍煤油+潤滑油脂和植物油)對(duì)鋁合金手機(jī)外殼進(jìn)行研拋實(shí)驗(yàn)，獲得了表面粗糙度Ra分別為0.034 μm 和0.026 μm 的加工表面。表明減小磨粒粒度可以提高工件表面質(zhì)量。

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