汽車軸類零件上曲線微溝槽陣列的加工方法

摘 要：汽車傳動依靠精密軸類零件，軸上微溝槽陣列具有獨特的優(yōu)點，選擇微細機械加工方法進行研究。本文提出了一種汽車軸類零件上曲線微溝槽陣列的加工方法，根據(jù)算法運用Matlab計算仿真，得到加工代碼，并進行加工實驗，旨在實現(xiàn)高效、精準、低成本的微溝槽加工。

關鍵詞：軸類零件 曲線微溝槽陣列 微細機械加工

1 緒論

汽車傳動依靠精密軸類零件，軸上微溝槽陣列具有獨特的優(yōu)點，目前軸類微溝槽陣列的加工技術已經(jīng)得到了廣泛的研究和應用。常見的加工方法包括微細機械加工技術、高能束加工技術、電火花加工技術和電解加工技術等。高能束加工技術如激光加工和電子束加工，能夠實現(xiàn)高精度和高效率的加工，但設備成本較高。電火花加工技術適用于難加工材料的微溝槽加工，但加工表面質(zhì)量有待提高。電解加工技術則具有加工精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，但加工效率相對較低。微細機械加工技術通過控制刀具和工件的相對運動進行加工，具有工藝成本低、加工效率高等優(yōu)點，所以選擇微細機械加工技術進行研究。

2 微溝槽加工刀具軌跡規(guī)劃方法

軸類零件表面車削的刀具軌跡如圖1所示。根據(jù)軸類零件表面螺旋車削的刀具軌跡，得到表面微觀形貌的形成示意圖如圖2所示。軸類零件沿著C方向進行旋轉，刀具沿著Z方向橫向進給，刀具與工件的聯(lián)動產(chǎn)生殘留高度，形成圓弧狀微觀表面形貌。對于軸類零件表面的金剛石超精密車削，其表面殘留高度的生成，主要是由工件旋轉與刀具進給產(chǎn)生的材料去除。軸類零件的金剛石超精密車削能夠得到具有微米級別粗糙度的表面，然而加工過程中任何變量都有可能影響這種納米表面粗糙度。

對軸類零件表面形貌形成進行分析，取刀位點進行微切削分析，刀具以一定切深和進給相對軸類工件運動，輪廓通過相對運動復刻刀具輪廓得到。將圓柱表面按照時間t進行離散化，每個時間點間隔為，n為主軸轉速，將刀具運動軌跡沿著Z方向離散，兩輪廓之間的間距為每轉進給量f，將輥筒表面沿軸向展開如圖3所示。

3 軸類零件表面曲線溝槽刀具軌跡生成算法

曲線溝槽需要采用C（旋轉）、X、Z三軸聯(lián)動的方式進行加工，數(shù)控機床的G代碼僅能執(zhí)行簡單的刀路（直線、曲線、宏程序）控制，無法加工復雜的曲線微溝槽，對曲線微溝槽加工只能用matlab進行自主編程。圖3已對軸的表面的刀位點用圓的等角度離散法進行離散，圖4為軸類零件上加工曲線溝槽示意圖，刀具位置位于XOZ截面上，且Y軸坐標不變化，只由刀具的X方向移動決定其切削深度，Z軸和C軸聯(lián)動決定曲線溝槽的刀具軌跡。

將曲線溝槽陣列沿軸的表面展開得到平面展開圖如圖5所示。

首先，用圓的等角度離散法將C軸方向展開將軸表面分為若干份，每一份角度為，由此可得公式（1）； X方向為切削深度，加工過程中刀具在X方向切深不變，刀具在Z方向的運動軌跡與該點的C坐標有關。

（1）

引入微溝槽加工過程中的加工參數(shù)主軸轉速S（r/min）和進給速度f（mm/mim）可得式（2），其中t為時間（min），W為曲線函數(shù)在t時刻的值。

（2）

單條直曲線溝槽的輪廓圖如圖6所示，以C軸單位旋轉角度為離散變量可得點的表達公式（3），其中R為軸的半徑。

（3）

由于刀具進給速度f的存在，直曲線溝槽會在Z方向傾斜，成為斜曲線溝槽，如圖7所示，傾斜角度用表示，一般將稱為螺旋升角，可表示為式（4），其中為兩曲線溝槽的間隔，根據(jù)轉軸公式和坐標轉換公式，可得輥筒刀具路徑三維坐標如式（5）所示

（4）

（5）

選擇正弦曲線作為本次研究對象，可得式（6），其中A為正弦曲線的波幅，w為波數(shù)（周期密度），為正弦曲線的橫軸；為了研究加工中正弦溝槽參數(shù)變化對溝槽的影響，盡可能減小加工參數(shù)的影響，將轉速S固定，進給速度f設置為0，加工直曲線溝槽。根據(jù)式（5）、（6），運用Matlab繪出正弦微溝槽陣列三維仿真圖如圖8所示。

（6）

4 輥筒模具表面超精密加工實驗

根據(jù)刀具軌跡算法，用Matlab編程得到刀位點數(shù)據(jù)，進行正弦微溝槽陣列的加工，工件材料為鋁合金6061棒料（直徑80 mm）。對于微溝槽陣列，每個波型由三個參數(shù)定義：波幅A、槽深、波數(shù)，設計了多種不同的波形參數(shù)形成對比。以波數(shù)為研究目標，溝槽參數(shù)如表1所示。以波幅A為研究目標，溝槽參數(shù)如表2所示，實驗過程中離散圓單位角度選取為0.01°。

圖9為按照加工參數(shù)加工后的測量結果，測量結果表明，按照上述加工方法，可以加工出特殊曲線微溝槽陣列。

5 結論與展望

本文提出了一種汽車軸類零件上曲線微溝槽陣列的加工方法，該方法結合了數(shù)理計算和加工實驗，旨在實現(xiàn)高效、精準、低成本的微溝槽加工。未來，需要進一步加強微溝槽陣列新型加工技術的研究，提高加工精度和效率，降低成本和能耗，以滿足汽車工業(yè)的更高需求。

基金項目：2022年度湖南省教育廳科學研究項目一般資助課題“微結構陣列超精密加工機理和方法研究”（編號：22C1108）。

參考文獻：

[1]譚金剛，何斌，萬軒瑞，等.鈦合金表面溝槽結構納秒激光加工實驗研究[J].激光技術，2024，48（05）：684-690.

[2]耿少娟，周一帆，李鑫龍，等.表面微溝槽對壓氣機葉柵氣動性能的影響[J].機械設計與制造，2024（07）：279-287+294.

[3]李曉蓬，余亮寶，孫占文，等.鎳磷合金微溝槽金剛石切削泊松毛刺形成機理[J].光學精密工程，2024，32（08）：1140-1152.

[4]汪驥，于鵬法，李瑞，等.溝槽結構對水潤滑軸承潤滑特性影響機制[J].潤滑與密封，2023，48（11）：86-94.

[5]史小鋒.基于磁性復合流體的微溝槽精密加工機理研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2023.