圓柱表面微結構超精密車削加工技術的探究

李婷 謝明軍 杜萬中 白巖立

摘 要：超精密加工是衡量一個國家科技和制造水平的重要標志。近年來，我國綜合國力和科學技術水平的日漸提升離不開超精密加工技術的發展和進步。文章通過詳細分析圓柱表面微結構的超精密車削加工技術，旨在促使科研技術攻關人員關注圓柱表面微結構超精密車削加工技術的發展現狀，在不斷提高我國機械零部件制造技術水平的同時，促進我國機械制造加工領域的科研技術人員更多的使用超精密加工技術，研發出更多的高效、智能、自主的機械加工技術來服務我國的機械制造產業。

關鍵詞：圓柱表面;微結構;超精密;車削加工技術

中圖分類號：TM359.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著我國科學技術水平和綜合國力的飛速進步，其制造業領域內的微結構加工技術也在不斷的改進和快速的提升。我國發展尖端技術產品不可或缺的一項關鍵技術就是超精密加工技術，該技術無論是在軍事領域還是在民用領域，都有著非常廣泛的用武之地。比如我國在部分機械零件的圓柱表面微結構的超精密加工方面的技術正在日趨成熟，再加上目前微結構超精密加工應用的領域越來越廣泛，如數碼相機、液晶顯示面板、隱形眼鏡、衛星成像系統等，由于這些元器件要想實現其特定的功能，就必須對其加工精度提出極高的要求。所以機械零件圓柱表面微結構的超精密車削加工技術越來越被人們所關注，其已成為加工制造業中的一項越來越重要的研究課題。

1 超精密車削加工的概述

1.1 超精密車削加工的簡介

超精密車削加工是伴隨著時代的發展和社會的進步而出現的一項新技術，是為了適應現代科學技術的發展而被科研人員研發出來的一項新的機加工藝。其主要是利用金剛石刀具對零部件進行車削加工，用來加工對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。該超精密加工技術是綜合集多學科、多領域的一項機械加工新技術。如材料、傳感、現代電子、計算機網絡、自動控制，測量等技術。目前超精密車削加工技術已經達到納米級別的精度，目前正在朝著微納米級別精度的方向發展。在機械零件圓柱表面微結構加工技術方面，目前超精密車削加工是零件圓柱表面微結構最高效的加工方法之一。比如英國克蘭菲爾德大學的Watson就實現了70μm波長正弦波的加工;再比如日本東北大學的Gao教授研究團隊分別在鍍有鎳-磷和氧化銅的圓柱表面車削加工了微透鏡結構，其設計深度為5.2μm，且誤差只有0.12μm和0.1μm。就我國來說，國防科學技術大學對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11.4nm;哈爾濱工業大學科研團隊加工的菲涅爾透鏡端面微結構（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隊正在積極研究將超精密車削加工技術應用在圓柱表面的微結構加工當中，以快速提高我國的超精密加工的技術水平。

1.2 超精密車削加工的機理

圓柱表面微結構的加工和非圓柱表面微結構的加工是有很大的區別的。因為圓柱表面微結構的尺寸都是在微米量級甚至是納米量級，為此在進行車削加工時，這些尺寸效應和微結構效用都要被考慮到，在進行車削參數的選擇時是不同于傳統表面加工的。另外，因為圓柱表面微結構的加工會受到加工接觸區域的機械負荷、溫度梯度、化學性質變化等因素的影響，因此一定要了解其車削機理。再次圓柱表面微結構在進行車削加工時，其車削速度和背吃刀量在不斷發生著變化，這造成車削過程的不穩定，很容易造成表面質量的下降或者在微結構邊緣產生毛刺。特別是在用快速伺服刀架進行微結構表面車削加工時，因為機床振動可能造成加工表面質量不佳。伴隨計算機網絡技術的逐漸發展和不斷進步，用計算機仿真技術進行超精密車削加工已變為現實，近年來，用有限元或者分子動力學等仿真方法來進行表面微結構的加工已經獲得成功并已開始應用，這些新技術的應用都為圓柱表面微結構的超精密車削加工技術的提高提供了可靠的科學依據。

2 超精密車削加工關鍵技術的難點和解決辦法

2.1 關鍵技術的難點分析

圓柱表面微結構的微V槽的加工在技術上有不少難點，通過總結后主要包括以下3點：①圓柱表面微細結構的車削加工需采用微細的金剛石刀具，其刀具刀尖的圓弧半徑僅有0.005mm，這就導致其刀尖點非常容易受損。再加上因其結構尺寸過小，若加工設備的重復定位存在誤差就很容易導致其加工表面過切現象的發生。②圓柱表面數十萬個微結構槽要進行連續加工，若采用傳統的方法編寫程序，其編寫程序的工作量將是十分巨大的。③在圓柱表面微細加工過程中，即便是機床一個特別細微的振動，其切屑都可能會對工件加工表面的質量造成不小的影響。

2.2 關鍵技術難點的解決辦法

2.2.1 利用分層小切深來提高刀具使用壽命

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

對圓柱表面進行車削加工時，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，走刀軌跡分析說明：采用前兩種走刀軌跡加工零件有過切現象發生，而采用第3種走刀軌跡進行零件加工基本不會發生過切。

通過分析可知：造成加工表面過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束之后，因液壓油溫度的變化以及無精加工余量等因素造成機床的重復定位，從而產生了加工誤差。這些結果反映在微V槽上就是我們見到的過切現象。而第3種加工方法是在粗加工單個槽結束之后就立即對其進行精加工，此時其液壓油溫度變化較小也留有精加工余量，這樣即便機床需要重復定位，對其精加工的影響也比較小，從而有效的避免了過切現象的發生或接刀痕跡的出現。

因單點金剛石車刀刀尖半徑僅有0.005mm，其包絡角度為100°，這就使得車刀單次切削深度不超1.4μm，且每個槽的加工需分成17層才能完成切削加工。若圓柱面長度超過400mm，輥筒需要加工數十萬微V槽，其刀具切削軌跡過長。若采用較小的車刀進給速度，其微V槽表面質量能夠得到很好的保證，但這樣會降低刀具的使用壽命;若采用較大的車刀進給速度，其微V槽表面質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，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 采用邏輯運算程序來解決加工編程難題

由于在進行車削加工時，總的車削走刀次數超過數10萬次。若采用傳統的程序編寫方案，其程序長度將會多于170萬行，而大量的程序編輯勢必會造成刀具軌跡的錯誤點，進而導致工件表面的加工質量欠佳。為此可把UMAC寫入邏輯運算程序，并對微槽程序進行優化設計，這樣其程序長度就可控制在40行以內，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層循環中if語句是為了防止零件加工表面過切;其第2層循環中while語句是用于槽深的步進;其第3層循環中while語句是用于槽與槽間的移動。再通過對P1、P2的賦值，就能夠輕松進行不同尺寸上微槽的車削加工。

2.2.3 加工系統細微振動及切屑對加工表面的影響

在零件的車削加工過程中，加工系統的細微振動也會對工件的加工表面產生影響，其包括外部環境所引起的振動以及設備加工過程所引起的振動。外部環境所引起的振動可通過隔振系統和抑制外界震源的辦法來消除，而設備在加工過程中所引起的振動主要是由回轉工件的動不平衡量所造成的。要想改善或消除設備所引起的振動，就需要在精加工前利用動平衡儀進行檢測，如采用添加配重的方式來消除因質量偏心而造成的設備振動。

另外，其加工參數也會對零件加工的表面質量產生影響。其中影響較為嚴重的就是背吃刀量，若背吃刀量產生較大的切屑，就很容易導致工件表面劃傷，進而造成工件表面的加工質量達不到精度要求;若背吃刀量較小，其車削加工所產生的粉末狀切屑重量也會較輕，此時若采用吸屑裝置就可把切屑很容易吸走，從而不會對工件表面造成傷害。

3 結語

工件圓柱表面微結構的超精密車削加工是一項內容比較廣泛的新技術、新加工工藝，在車削加工時，其所使用的超精密機床設備、單點金剛石刀具、車削加工工藝、測量和誤差補償技術、環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量。隨著復雜微結構表面應用的增加和加工設備水平的不斷提高，對圓柱表面微結構的超精密車削加工已日漸在被推廣和應用。和世界先進制造水平相比，我國的超精密加工技術還存在一定的差距，在此過程中仍有不少問題亟需解決。目前我國正在努力自主研發超精密車床和快刀伺服系統，相信不久將來一定會縮小和世界先進制造技術水平的差距。超精密車床和快刀伺服系統研發的成功將會更好的服務于我國超精密車削機械加工領域，并且利用其制造出來的機械工件將更經得起使用的考驗，其實用性將更強。

參考文獻

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