圓柱表面微結(jié)構(gòu)超精密車削加工技術(shù)的探究

李婷 謝明軍 杜萬(wàn)中 白巖立

摘 要：超精密加工是衡量一個(gè)國(guó)家科技和制造水平的重要標(biāo)志。近年來(lái)，我國(guó)綜合國(guó)力和科學(xué)技術(shù)水平的日漸提升離不開超精密加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。文章通過(guò)詳細(xì)分析圓柱表面微結(jié)構(gòu)的超精密車削加工技術(shù)，旨在促使科研技術(shù)攻關(guān)人員關(guān)注圓柱表面微結(jié)構(gòu)超精密車削加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在不斷提高我國(guó)機(jī)械零部件制造技術(shù)水平的同時(shí)，促進(jìn)我國(guó)機(jī)械制造加工領(lǐng)域的科研技術(shù)人員更多的使用超精密加工技術(shù)，研發(fā)出更多的高效、智能、自主的機(jī)械加工技術(shù)來(lái)服務(wù)我國(guó)的機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)。

關(guān)鍵詞：圓柱表面;微結(jié)構(gòu);超精密;車削加工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM359.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0151-03

Research on Ultra-precision Turning Technology of Cylindrical Surface Microstructure

Li Ting1， Xie Mingjun2， Du Wanzhong3， Bai Yanli

（1. Department of Mining Engineering， Yulin Vocational and Technical College， Yulin 719000， China; 2.Shaanxi Yulin Energy Group Hengshan Coal Power Co.， Ltd.， Yulin 719200， China）

Abstract：Ultra-precision machining is an important symbol to measure a countrys science and technology and manufacturing level. In recent years， the comprehensive national power and the science and technology level of our country can not be improved day by day without the development and progress of ultra-precision machining technology. By analyzing the ultra-precision turning technology of cylinder surface microstructure in detail， this paper aims to make researchers pay attention to the development of ultra-precision turning technology of cylinder surface microstructure， while continuously improving the manufacturing technology level of mechanical parts and components in our country， it will promote more use of ultra-precision processing technology by scientific research and technical personnel in the field of mechanical manufacturing and processing in our country， research and development of more efficient， intelligent， independent machining technology to serve Chinas machinery manufacturing industry.

Key words：cylindrical surface; microstructure; ultra-precision; turning technology

0 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平和綜合國(guó)力的飛速進(jìn)步，其制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)也在不斷的改進(jìn)和快速的提升。我國(guó)發(fā)展尖端技術(shù)產(chǎn)品不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是超精密加工技術(shù)，該技術(shù)無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都有著非常廣泛的用武之地。比如我國(guó)在部分機(jī)械零件的圓柱表面微結(jié)構(gòu)的超精密加工方面的技術(shù)正在日趨成熟，再加上目前微結(jié)構(gòu)超精密加工應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，如數(shù)碼相機(jī)、液晶顯示面板、隱形眼鏡、衛(wèi)星成像系統(tǒng)等，由于這些元器件要想實(shí)現(xiàn)其特定的功能，就必須對(duì)其加工精度提出極高的要求。所以機(jī)械零件圓柱表面微結(jié)構(gòu)的超精密車削加工技術(shù)越來(lái)越被人們所關(guān)注，其已成為加工制造業(yè)中的一項(xiàng)越來(lái)越重要的研究課題。

1 超精密車削加工的概述

1.1 超精密車削加工的簡(jiǎn)介

超精密車削加工是伴隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步而出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，是為了適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而被科研人員研發(fā)出來(lái)的一項(xiàng)新的機(jī)加工藝。其主要是利用金剛石刀具對(duì)零部件進(jìn)行車削加工，用來(lái)加工對(duì)表面粗糙度以及形狀精度要求高的有色金屬或非金屬零件。該超精密加工技術(shù)是綜合集多學(xué)科、多領(lǐng)域的一項(xiàng)機(jī)械加工新技術(shù)。如材料、傳感、現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制，測(cè)量等技術(shù)。目前超精密車削加工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)別的精度，目前正在朝著微納米級(jí)別精度的方向發(fā)展。在機(jī)械零件圓柱表面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)方面，目前超精密車削加工是零件圓柱表面微結(jié)構(gòu)最高效的加工方法之一。比如英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的Watson就實(shí)現(xiàn)了70μm波長(zhǎng)正弦波的加工;再比如日本東北大學(xué)的Gao教授研究團(tuán)隊(duì)分別在鍍有鎳-磷和氧化銅的圓柱表面車削加工了微透鏡結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)深度為5.2μm，且誤差只有0.12μm和0.1μm。就我國(guó)來(lái)說(shuō)，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)圓周排列的微透鏡陣列（口徑4mm，深度為10μm）表面粗糙度Ra可達(dá)11.4nm;哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)加工的菲涅爾透鏡端面微結(jié)構(gòu)（深度為5μm）其表面粗糙度Ra=35nm，如圖1所示。目前其超精密加工科研團(tuán)隊(duì)正在積極研究將超精密車削加工技術(shù)應(yīng)用在圓柱表面的微結(jié)構(gòu)加工當(dāng)中，以快速提高我國(guó)的超精密加工的技術(shù)水平。

1.2 超精密車削加工的機(jī)理

圓柱表面微結(jié)構(gòu)的加工和非圓柱表面微結(jié)構(gòu)的加工是有很大的區(qū)別的。因?yàn)閳A柱表面微結(jié)構(gòu)的尺寸都是在微米量級(jí)甚至是納米量級(jí)，為此在進(jìn)行車削加工時(shí)，這些尺寸效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)效用都要被考慮到，在進(jìn)行車削參數(shù)的選擇時(shí)是不同于傳統(tǒng)表面加工的。另外，因?yàn)閳A柱表面微結(jié)構(gòu)的加工會(huì)受到加工接觸區(qū)域的機(jī)械負(fù)荷、溫度梯度、化學(xué)性質(zhì)變化等因素的影響，因此一定要了解其車削機(jī)理。再次圓柱表面微結(jié)構(gòu)在進(jìn)行車削加工時(shí)，其車削速度和背吃刀量在不斷發(fā)生著變化，這造成車削過(guò)程的不穩(wěn)定，很容易造成表面質(zhì)量的下降或者在微結(jié)構(gòu)邊緣產(chǎn)生毛刺。特別是在用快速伺服刀架進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表面車削加工時(shí)，因?yàn)闄C(jī)床振動(dòng)可能造成加工表面質(zhì)量不佳。伴隨計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸發(fā)展和不斷進(jìn)步，用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行超精密車削加工已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，近年來(lái)，用有限元或者分子動(dòng)力學(xué)等仿真方法來(lái)進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)的加工已經(jīng)獲得成功并已開始應(yīng)用，這些新技術(shù)的應(yīng)用都為圓柱表面微結(jié)構(gòu)的超精密車削加工技術(shù)的提高提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

2 超精密車削加工關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)和解決辦法

2.1 關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)分析

圓柱表面微結(jié)構(gòu)的微V槽的加工在技術(shù)上有不少難點(diǎn)，通過(guò)總結(jié)后主要包括以下3點(diǎn)：①圓柱表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的車削加工需采用微細(xì)的金剛石刀具，其刀具刀尖的圓弧半徑僅有0.005mm，這就導(dǎo)致其刀尖點(diǎn)非常容易受損。再加上因其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)小，若加工設(shè)備的重復(fù)定位存在誤差就很容易導(dǎo)致其加工表面過(guò)切現(xiàn)象的發(fā)生。②圓柱表面數(shù)十萬(wàn)個(gè)微結(jié)構(gòu)槽要進(jìn)行連續(xù)加工，若采用傳統(tǒng)的方法編寫程序，其編寫程序的工作量將是十分巨大的。③在圓柱表面微細(xì)加工過(guò)程中，即便是機(jī)床一個(gè)特別細(xì)微的振動(dòng)，其切屑都可能會(huì)對(duì)工件加工表面的質(zhì)量造成不小的影響。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的解決辦法

2.2.1 利用分層小切深來(lái)提高刀具使用壽命

利用單點(diǎn)金剛石車刀對(duì)圓柱表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行超精密車削加工目前是一種非常高效的加工方法，由于其單點(diǎn)金剛石車刀刀尖的半徑僅有0.005mm，若切削深度過(guò)大就很容易造成其車刀刀尖點(diǎn)的損傷，為此可采用分層小切深的切削方法對(duì)圓柱表面進(jìn)行超精密加工。在進(jìn)行微V直槽的分層小切深車削加工時(shí)，初步制定了3種不同的方法進(jìn)行車削加工，其加工軌跡示意圖如圖2所示。

對(duì)圓柱表面進(jìn)行車削加工時(shí)，其3種刀具的軌跡分別是：

（I）2-1-3-1-4-1-5-8-7-9-7-10-7-11-7-1-6-12。

（II）2-1-3-1-4-1-5-1-6-1-6-8-7-9-7-10-7-11-7-12-7-12。

（III）2-1-3-1-4-1-5-1-6-8-7-9-7-10-7-11-7-12。

由于該3種加工方法只是在走刀的軌跡上有所不同，走刀軌跡分析說(shuō)明：采用前兩種走刀軌跡加工零件有過(guò)切現(xiàn)象發(fā)生，而采用第3種走刀軌跡進(jìn)行零件加工基本不會(huì)發(fā)生過(guò)切。

通過(guò)分析可知：造成加工表面過(guò)切的主要原因是其微V槽自身的尺寸太小，前兩種加工方法是在粗加工結(jié)束之后，因液壓油溫度的變化以及無(wú)精加工余量等因素造成機(jī)床的重復(fù)定位，從而產(chǎn)生了加工誤差。這些結(jié)果反映在微V槽上就是我們見到的過(guò)切現(xiàn)象。而第3種加工方法是在粗加工單個(gè)槽結(jié)束之后就立即對(duì)其進(jìn)行精加工，此時(shí)其液壓油溫度變化較小也留有精加工余量，這樣即便機(jī)床需要重復(fù)定位，對(duì)其精加工的影響也比較小，從而有效的避免了過(guò)切現(xiàn)象的發(fā)生或接刀痕跡的出現(xiàn)。

因單點(diǎn)金剛石車刀刀尖半徑僅有0.005mm，其包絡(luò)角度為100°，這就使得車刀單次切削深度不超1.4μm，且每個(gè)槽的加工需分成17層才能完成切削加工。若圓柱面長(zhǎng)度超過(guò)400mm，輥筒需要加工數(shù)十萬(wàn)微V槽，其刀具切削軌跡過(guò)長(zhǎng)。若采用較小的車刀進(jìn)給速度，其微V槽表面質(zhì)量能夠得到很好的保證，但這樣會(huì)降低刀具的使用壽命;若采用較大的車刀進(jìn)給速度，其微V槽表面質(zhì)量就不能得到有效的保證。綜合考慮以上因素，在分層加工時(shí)，粗加工一般采用較大的切削速度，精加工一般采用較小的切削速度，這樣既可保證工件表面加工的質(zhì)量，也可提高刀具的使用壽命和加工效率。

2.2.2 采用邏輯運(yùn)算程序來(lái)解決加工編程難題

由于在進(jìn)行車削加工時(shí)，總的車削走刀次數(shù)超過(guò)數(shù)10萬(wàn)次。若采用傳統(tǒng)的程序編寫方案，其程序長(zhǎng)度將會(huì)多于170萬(wàn)行，而大量的程序編輯勢(shì)必會(huì)造成刀具軌跡的錯(cuò)誤點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致工件表面的加工質(zhì)量欠佳。為此可把UMAC寫入邏輯運(yùn)算程序，并對(duì)微槽程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣其程序長(zhǎng)度就可控制在40行以內(nèi)，并且有利于被加工件尺寸的更改。

又由于UMAC程序的編寫采用的是3層嵌套的方法，其程序第1層循環(huán)中if語(yǔ)句是為了防止零件加工表面過(guò)切;其第2層循環(huán)中while語(yǔ)句是用于槽深的步進(jìn);其第3層循環(huán)中while語(yǔ)句是用于槽與槽間的移動(dòng)。再通過(guò)對(duì)P1、P2的賦值，就能夠輕松進(jìn)行不同尺寸上微槽的車削加工。

2.2.3 加工系統(tǒng)細(xì)微振動(dòng)及切屑對(duì)加工表面的影響

在零件的車削加工過(guò)程中，加工系統(tǒng)的細(xì)微振動(dòng)也會(huì)對(duì)工件的加工表面產(chǎn)生影響，其包括外部環(huán)境所引起的振動(dòng)以及設(shè)備加工過(guò)程所引起的振動(dòng)。外部環(huán)境所引起的振動(dòng)可通過(guò)隔振系統(tǒng)和抑制外界震源的辦法來(lái)消除，而設(shè)備在加工過(guò)程中所引起的振動(dòng)主要是由回轉(zhuǎn)工件的動(dòng)不平衡量所造成的。要想改善或消除設(shè)備所引起的振動(dòng)，就需要在精加工前利用動(dòng)平衡儀進(jìn)行檢測(cè)，如采用添加配重的方式來(lái)消除因質(zhì)量偏心而造成的設(shè)備振動(dòng)。

另外，其加工參數(shù)也會(huì)對(duì)零件加工的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。其中影響較為嚴(yán)重的就是背吃刀量，若背吃刀量產(chǎn)生較大的切屑，就很容易導(dǎo)致工件表面劃傷，進(jìn)而造成工件表面的加工質(zhì)量達(dá)不到精度要求;若背吃刀量較小，其車削加工所產(chǎn)生的粉末狀切屑重量也會(huì)較輕，此時(shí)若采用吸屑裝置就可把切屑很容易吸走，從而不會(huì)對(duì)工件表面造成傷害。

3 結(jié)語(yǔ)

工件圓柱表面微結(jié)構(gòu)的超精密車削加工是一項(xiàng)內(nèi)容比較廣泛的新技術(shù)、新加工工藝，在車削加工時(shí)，其所使用的超精密機(jī)床設(shè)備、單點(diǎn)金剛石刀具、車削加工工藝、測(cè)量和誤差補(bǔ)償技術(shù)、環(huán)境支持條件等多種因素決定著其工件的加工精度和表面質(zhì)量。隨著復(fù)雜微結(jié)構(gòu)表面應(yīng)用的增加和加工設(shè)備水平的不斷提高，對(duì)圓柱表面微結(jié)構(gòu)的超精密車削加工已日漸在被推廣和應(yīng)用。和世界先進(jìn)制造水平相比，我國(guó)的超精密加工技術(shù)還存在一定的差距，在此過(guò)程中仍有不少問(wèn)題亟需解決。目前我國(guó)正在努力自主研發(fā)超精密車床和快刀伺服系統(tǒng)，相信不久將來(lái)一定會(huì)縮小和世界先進(jìn)制造技術(shù)水平的差距。超精密車床和快刀伺服系統(tǒng)研發(fā)的成功將會(huì)更好的服務(wù)于我國(guó)超精密車削機(jī)械加工領(lǐng)域，并且利用其制造出來(lái)的機(jī)械工件將更經(jīng)得起使用的考驗(yàn)，其實(shí)用性將更強(qiáng)。

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