氟金云母可加工陶瓷極座切削試驗研究*

吳定柱 劉興寶 王興橋 錢志強

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

作為研究物質基本組成、結構特征、物理和化學性質的最基本儀器—質譜儀，由于其直接測量的本質和高靈敏、高分辨性，被廣泛應用于環境監測、食品安全、生命科學等多個領域［1－5］。在四級桿質譜儀構成系統中，四極離子質量分析器是其核心部件，直接影響質譜儀分析的質量范圍和分辨率［6－7］。四極質量分析器中，氟金云母可加工陶瓷固定支座的加工精度直接影響四極質量分析器的裝配精度。為了能夠實現四極質量分析器的國產化并批量生產，就必須既保證加工精度又具有較高的生產效率。因此，有必要對可加工陶瓷的加工工藝進行系統的研究，以解決在生產過程中加工精度不穩定與生產效率低下的瓶頸問題。

1 氟金云母陶瓷不同刀具切削實驗

氟金云母陶瓷組成是氧化物和鹵化物的混合物，析出的主晶相為云母，母相陶瓷晶粒細小(0.3μm左右)［8］。氟金云母可加工陶瓷屬于脆性材料，硬度高、脆性大、熱導率較低。云母片結構內的層與層之間靠范德華力聯接，結合很弱，容易發生解理，層與層之間容易滑移，可提供低摩擦、自潤滑的表面。在切割刀具的作用下，沿解理面產生微裂紋，通過微裂紋相互連接使小部分材料被去除，因此，云母陶瓷有很好的可加工性，可加工成各種形狀，且精度可控。文獻資料指出刀具與工件的組織不均勻，以及切削過程中產生的沖擊性機械應力和熱應力會引起邊緣易崩裂、刀具易磨損等現象［8］。因此，為了確保加工質量，進行了高速鋼刀、硬質合金刀、PCD刀具和CBN刀具等4種刀具切削實驗。刀具磨損情況如圖1所示。

分析切削實驗現象及數據可以看出:(1)氟金云母可加工陶瓷車削加工中材料微觀去除以穿晶斷裂模式為主，沿晶斷裂模式同時存在;(2)高速鋼刀具無冷卻條件下的材料去除過程可分為初期階段、高效階段和后期階段3個階段，崩刃是高速鋼刀具正常磨損的主要形式，加工后表面質量最差;(3)硬質合金刀具的磨損形態包括主后刀面磨損、副后刀面磨損和橫刃磨損，磨料磨損和粘著磨損是硬質合金刀具磨損的主要形式，優化切削參數和采取水作冷卻液后硬質合金刀具也可以有較長使用壽命;(4)PCD涂層刀具和CBN刀具磨損量非常少，幾乎可以忽略不計，加工后表面質量最好Ra0.1μm左右。因此，選用PCD刀片和CBN刀具作為氟金云母可加工陶瓷鏜削實驗的刀具。

2 可加工陶瓷極座鏜削實驗研究

2.1 試驗條件

以典型四極桿質量分析器極座為實驗對象，具體精度指標如圖2所示。極座定位坐標圓弧的精度要求可以分為兩部分:位置精度和幾何精度(尺寸精度、形狀精度)。因此，可以通過機床本身精度或者采用高精度工裝控制極座與刀具鏜頭中心的位置來保證坐標圓弧的位置精度，通過加工工藝方法來控制定位圓弧的幾何精度。

實驗零件為外形尺寸為φ50.8mm×35mm的氟金云母可加工陶瓷極座試件，且在φ22.6mm圓周位置上預鉆了4－φ10mm均布的孔。實驗平臺是基于高精度多軸加工中心搭建(單軸分辨力0.0001mm，轉臺定位誤差4”)，如圖3所示。鏜削刀具選用山高整體硬質合金鏜刀桿和PCD20鏜刀片，轉速200 r/min，進給速度F0.1mm/r。

2.2 實驗數據及分析

經過多輪工藝參數實驗確定了切削工藝參數，并穩定生產了一批合格極座。下表1是隨機抽取一套極座的計量數據(單孔6個截面的計量數據)，分析可以看出:(1)單孔從上到下各個截面的尺寸一致性非常好，差值小于0.001mm，圓度0.0007mm左右，圓柱度小于0.0015mm;(2)各孔尺寸差值小于0.001mm。

表1 各孔尺寸、形狀計量數據

3 結語

(1)掌握了氟金云母微晶玻璃可加工陶瓷材料機械加工的切削加工性能和刀具磨損失效規律。

(2)經過多輪加工工藝實驗，能夠穩定實現氟金云母可加工陶瓷極座定位孔尺寸和形狀精度均誤差小于0.002mm精度，為下一步實現四極質量分析器批量裝配奠定基礎。

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