金剛石刀具超精密車削技術(shù)研究

楊震

摘 要：通過對超精密車床、超精密加工材料特性、超精密加工刀具、超精密切削用量、加工冷卻液及超精密檢測技術(shù)等進行分析研究，總結(jié)出超精密車削技術(shù)研究的工程化加工技術(shù)，提高現(xiàn)有的加工水平，擴展了金剛石刀具加工的空白領(lǐng)域，為公司的研制產(chǎn)品和批產(chǎn)提供技術(shù)保障和技術(shù)儲備。

關(guān)鍵詞：銅鋁合金 ；超精密加工；金剛石刀具；切削用量

1引言

為了適應(yīng)國內(nèi)外發(fā)展形勢，目前，我公司產(chǎn)品正由精密型向超精密型轉(zhuǎn)化，產(chǎn)品零件的精度、加工難度、復(fù)雜性等都在向更高層次發(fā)展。公司研制產(chǎn)品中，銅鋁合金零件的精度要求越來越高，現(xiàn)有的加工水平已經(jīng)不能滿足公司的需求。因此，對超精密車削技術(shù)進行研究，充分應(yīng)用高精密車床設(shè)備的各項功能，試驗摸索合理的切削參數(shù)、刀具材料及冷卻液，有效提高刀具的加工效率和使用壽命，實現(xiàn)超精密零件車削加工尤為重要。

2超精密車床的應(yīng)用研究

超精密車床是實現(xiàn)超精密加工的首要條件，根據(jù)公司研制產(chǎn)品的需求，新購置的超精密車床HLV，主軸的徑、軸向跳動量為0.0004mm、加工零件的圓度為0.5um、圓柱度為5um/100mm、表面粗糙度為Ra0.2um。為了更好發(fā)揮該車床各項功能，在加工試驗中，依據(jù)加工檢測零件的實際尺寸，對機床主軸進行微調(diào)，將機床的各參數(shù)調(diào)整到最佳狀態(tài)。依據(jù)車床最小進刀刻度尺及光柵供數(shù)顯用的最小尺寸精度0.008mm，做了兩個表架，并安裝精度為0.001mm的表以便控制切削深度，提高零件加工尺寸精度和穩(wěn)定性。同時，摸索機床的各項參數(shù)，依據(jù)加工材料的特性，選擇最佳的機床轉(zhuǎn)速，盡量減少機床內(nèi)部所有振動，提高機床工作時的平衡性。

3零件材料的理論分析

超精密加工的材料在化學(xué)成分、物理機械性能和加工工藝上都有嚴(yán)格的要求，材料應(yīng)選擇質(zhì)地均勻，不能有雜質(zhì)，性能要一致、穩(wěn)定，無外部和內(nèi)部缺陷，如雜質(zhì)、砂眼。

鋁合金具有密度小、塑性高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，切削加工性能良好，是達到超精密加工優(yōu)選材料。但鋁合金的線膨脹系數(shù)很高，加工該材料的薄壁零件易出現(xiàn)變形的缺陷。固溶處理加時效狀態(tài)的2A12鋁合金，具有良好的機械加工性能，退火狀態(tài)的機械加工性能差些。銅合金具有較高的強度和優(yōu)良的冷、熱加工性，易于進行各種形式的壓力加工和切削加工。

4切削液的選擇

在切削加工中，合理地使用金屬切削液可以降低切削時的切削力以及刀具與工件之間的摩擦，及時帶走切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量以降低切削溫度，減少刀具磨損，提高刀具耐用度，同時能減小工件熱變形，抑制積屑瘤和鱗刺的生長，從而提高生產(chǎn)效率，改善工件表面粗糙度，保證工件加工精度，達到最佳經(jīng)濟效果。

鋁合金加工切削液一般選用水溶性冷卻液，精加工時用航空煤油比較好，可明顯減小加工表面粗糙度，而且在低速時表面粗糙度也很小，使用切削液后，能消除積屑瘤對加工表面粗糙度的影響。精加工銅合金時，切削液無明顯效果，可以進行干切削，也可用中等濃度的水基切削液或乳化液，或者用煤油作為切削液。

5刀具材料的選擇

有色金屬的超精密車削加工，一般都采用天然金剛石刀具，但天然金剛石刀具價格昂貴。人造聚晶金剛石有著相類似的性能，刀具價格與天然金剛石刀具相比低很多。為適應(yīng)公司的工程應(yīng)用，該項目選擇人造聚晶金剛石刀具用于有色金屬的超精密加工。

金剛石刀具特點：金剛石有著一系列優(yōu)異的特性，如硬度、耐磨性、強度極高、導(dǎo)熱性好、和有色金屬摩擦因素低、能磨出極鋒銳的切削刃等。

6切削用量的選擇

切削用量包括切削深度、進給量、切削速度三要素，切削速度向來是影響刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低對金剛石刀具的磨損影響甚微，原因是金剛石的硬度極高，耐磨性好，熱傳導(dǎo)系數(shù)高，和有色金屬間的摩擦系數(shù)低，因此切削溫度低，在加工有色金屬時刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度1000～2000m/min，而刀具的磨損甚小。刀具是否已磨損，將以加工表面質(zhì)量是否下降超差為依據(jù)。因此超精密切削時，切削速度并不受刀具壽命的制約，這是和普通的切削規(guī)律不同的。超精密切削實際速度的選擇根據(jù)所使用的超精密機床的動特性和切削系統(tǒng)的動特性選取，即選擇振動最小的轉(zhuǎn)速。因為在該轉(zhuǎn)速時表面粗糙度最小、加工質(zhì)量最高。使用質(zhì)量好，特別是動特性好，振動小的超精密機床可以使用高的切削速度，可以提高加工效率。

7加工驗證

7.1金剛石對銅合金加工驗證

根據(jù)前期的理論分析結(jié)果確定加工參數(shù)，金剛石刀具是購置的成型刀片，因此刀具幾何參數(shù)是固定的，但刀尖圓弧半徑R0.4mm不適宜超精密加工，需對刀尖圓弧半徑進行刃磨；加工銅合金零件9件，冷卻液選用航空汽油。

從試驗結(jié)果分析可知，在吃刀深度0.005（mm）、進給量0.005（mm/r）的情況下，轉(zhuǎn)速分別為500（r/min）、1100（r/min）、1500（r/min）進行試驗，其結(jié)果表面粗糙度，圓度和圓柱度比較好。因此，驗證了前期的理論分析結(jié)果：金剛石刀具加工有色金屬，切削速度不是影響加工的主要因素，只有吃刀深度、進給量影響加工效果，而且通過以上數(shù)據(jù)可以看出，吃刀深度0.005（mm）、進給量0.005（mm/r）加工效果最好。

為進一步摸索車床的動特性，需要摸索出車床振動最小的轉(zhuǎn)速，在吃刀深度選擇0.005（mm）、進給量選擇0.005（mm/r）的情況下，三種轉(zhuǎn)速進行試驗。

用金剛石刀具加工銅合金試驗件5件，轉(zhuǎn)速選擇分別為1500（r/min）、1100（r/min）、500（r/min），冷卻液選用航空汽油。

從試驗測試數(shù)據(jù)可知：轉(zhuǎn)速為500（r/min）時，表面粗糙度有4件小于0.05um，1件0.07um；圓度有3件小于0.5um，有2件大于0.5um；圓柱度有2件小于1um，有3件大于1um，加工尺寸不穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)速為1100（r/min）時，零件表面粗糙度在0.04um至0.06um以內(nèi)，圓度在0.2um至0.3um以內(nèi)，圓柱度在0.6um至0.8um以內(nèi)，加工尺寸較穩(wěn)定，滿足設(shè)定加工精度要求。

轉(zhuǎn)速為1500（r/min）時，零件表面粗糙度在0.05um至0.07um以內(nèi)，圓度在0.3um至0.5um以內(nèi)，圓柱度在0.8um至0.1um以內(nèi)，加工尺寸較穩(wěn)定，滿足設(shè)定加工精度要求。

由試驗數(shù)據(jù)比較可知：轉(zhuǎn)速低時，表面粗糙度較好，但圓柱度不穩(wěn)定，隨著轉(zhuǎn)速增高，零件的表面粗糙度和圓柱度值都有所降低，轉(zhuǎn)速為1100（r/min）時，車床振動最小。加工者從500（r/min）致1500（r/min）空運行觀察，機床振動較小的區(qū)域為800（r/min）致1500（r/min）。

7.2金剛石對鋁合金加工驗證

根據(jù)前期理論分析結(jié)果，銅合金和鋁合金因其硬度和強度較低，導(dǎo)熱性能也好，刀具幾何參數(shù)和切削用量基本一致。因此，通過對銅合金的加工驗證情況，切削用量方面，在吃刀深度選擇0.005（mm）、進給量選擇0.005（mm/r）的情況下，分別按1500（r/min）、1100（r/min）兩種轉(zhuǎn)速進行兩組試驗。

由兩組試驗所測數(shù)據(jù)比較可知：金剛石刀具加工鋁合金，兩種轉(zhuǎn)速中，選擇轉(zhuǎn)速1500（r/min）加工時，表面粗糙度比轉(zhuǎn)速1100（r/min）好，但轉(zhuǎn)速1100（r/min）加工時，圓度和圓柱度較好。

8結(jié)束語

通過對超精密車床HLV的結(jié)構(gòu)、原理、性能參數(shù)的了解，充分利用其加工精度高的特點，對環(huán)境、振動等進行嚴(yán)格的控制，盡量減小影響加工的因素。摸索車削參數(shù)對機床振動的影響，選擇合理參數(shù)避免共振區(qū)域，并進行加工驗證，將機床調(diào)到最佳參數(shù)，加工出高精度零件，為公司后續(xù)精密零件的加工提供了工藝技術(shù)保障。

參考文獻：

[1] 孟少龍.機械加工工藝手冊 .機械工業(yè)出版社. 1991.9.