復雜曲面微小零件的微細切削工藝研究*

王建平,王成新

(長沙航空職業技術學院,湖南 長沙 410124)

隨著科學技術特別是電子與光學技術的迅猛發展,微型機械在國防軍事、航空航天以及信息等諸多領域發揮著越來越重要的作用,各種微型機械及相關技術的研究和應用越來越受到各國政府的高度重視。微型機械是極其微小而精巧的機電合一的裝置,其特征之一就是微機械元件的尺寸都比常規機械元件的尺寸要小得多,但精度卻比常規機械元件高得多,且構成這些微型機械的零件是各種各樣而且紛繁復雜的。目前微型機械零件的制造工藝大多采用微電子工業的制造技術,加工成本昂貴,而且并不能實現真正的三維加工[1]。如何利用微小零件加工設備,通過微細切削的方式加工出微小零件,是擺在我們面前的一個重要課題。

1 微小零件微細切削加工設備及系統配置

微小零件微細切削加工設備采用自主開發設計的微小加工機床,該機床總體結構為四軸龍門形式,采用這種龍門式結構,主要是基于如下幾個方面的考慮:1)采用龍門式結構可以獲得較大的工作行程;2)這種龍門式結構剛性較好,抵抗彈性變形的能力較強;3)這種龍門式的對稱結構容易獲得較高的加工精度,適合高速、高精度加工,尤其是微細切削加工。由于該機床主要用于微小零件的微細切削加工,切削量都不是很大,所以切削力一般也不大。設計時,將X軸、Y軸和轉臺都設計為空氣靜壓的形式,Z軸為滾動導軌的形式,機床結構如圖1所示。由于機床的空間限制,伺服轉臺與其伺服電機平行放置,利用同步帶驅動。3個直線軸的位置檢測裝置均采用分辨率為1 μm的光柵尺,伺服電機采用的是日本Sanyo Denki公司生產的交流伺服電機,伺服轉臺利用同步感應器進行位置檢測,并組成全閉環伺服控制系統。機床的床身與導軌材料均采用泰山青花崗巖,銑頭采用日本NSK的氣動高速銑頭,其轉速可達20 000 r/min,適合微細高速切削。車削主軸是北京興航精密主軸部件廠的液體靜壓主軸,其軸向與徑向剛度都達到20 kg/μm,回轉精度軸向與徑向都達到0.1 μm。機床底座使用空氣減振器,以隔離來自地面的振動和吸收機床本身發生的振動,使靜態振幅衰減到納米級。最后,機床的總體尺寸為1 200 mm×1 000 mm×1 500 mm。

圖1 微細切削機床結構圖

2 微小零件微細切削加工的特點及工藝要求

2.1 微細切削加工的特點

微小零件按工藝特點可以分為軸類零件、板類零件、齒輪、三維復雜零件等[2-3]。與一般的零件相比,微小零件微細切削具有如下特點。

1)尺寸微小。微小型機電系統可以達到微米級精度,其零件一般均在毫米級或微米級,假設在MEMS系統中進行整體裝配時,其尺寸最多只能在厘米級,應充分保證加工的形狀精度和位置精度。

2)微小零件力學性能要求高[4]。微小零件材料一般由金屬、合金和復合材料等組成,機械特性較好,強度硬度較高,具有抗過載、耐磨損、耐腐蝕和耐高溫的能力,可應用在惡劣的工況條件下,這使得微細加工技術能夠得以發展。

3)微細切削加工與普通切削加工中的刀具所受的切削力不同[5-6]。當吃刀深度為1 μm以下磨削軟鋼時,刀具單位面積所受的切削阻力極大,約為1 300 kg/mm2,接近了軟鋼的理論剪切強度1 400 kg/mm2;當吃刀深度約為50 μm的微細銑削加工時,刀具單位面積的切削阻力急劇下降到約為100 kg/mm2;當吃刀深度為100 μm的普通切削加工時,刀具單位面積的切削阻力下降為20～30 kg/mm2。所以當切削單位的大小從數微米縮小到1微米以下時,切刀的尖端會受到很大的應力作用,進而在單位面積上產生很大的熱量,使切刀的尖端局部區域升到極高的溫度,因此在進行微細切削時,最好采用耐熱性高、耐磨性強、高溫硬度和高溫強度的金剛石材料。

2.2 微小零件微細切削的工藝要求

微小零件的微細切削加工工藝與常規零件的切削加工不同。其工藝設計關系到能否高效率、高質量地加工出精度高、成本低的微小零件[7-8]。制定微小零件微細切削的加工工藝時不但應遵循常規的加工要求和規律,還應注意如下問題。

1)毛坯加工余量最小化。在微細切削中,刀具的每次進刀量均較小,每次切削去除的材料也不多,這樣可以減少由切削力導致的加工變形,確保刀具使用的可靠性和加工精度,加工時的毛坯尺寸決定了零件材料的去除總量。如果毛坯加工的余量太大,就會使加工時間增加,從而導致加工效率下降。所以,微細切削加工前可以在普通機床上進行粗加工,使微細切削加工時的加工余量為最小。

2)加工方式和刀具類型的合理選擇。微細切削的加工方式較多,應選取合理的加工工藝和刀具。如:加工外圓柱面時可以采用傳統的車削方式進行粗加工,這樣可以提高加工效率;精加工時可以采用車銑復合加工方式,能減少切削力過大導致的工件彈性變形,確保零件的加工精度。在微細銑削加工時,一般先采用較大尺寸的立銑刀進行粗加工,以提高刀具的壽命和加工效率;再采用較小尺寸的銑刀進行精加工,選擇較高切削速度,以減小工件變形,確保加工精度。

3)科學安排加工工藝。加工的先后順序對產品的加工質量有著重要影響,所以必須合理安排加工工藝。如:在軸的回轉面上有平面微小異形軸特征,首先要完成回轉表面的加工,再進行回轉面上平面的加工,工藝適合采用先車削后銑削的過程。而對于直徑較小或平面較大的異形軸,它的剛性較差,為減小銑削導致的加工變形,應采取先加工平面再加工回轉面的工藝順序,先銑削后車削。車削時主軸轉速要低,減小斷續切削導致的沖擊。

4)合理確定走刀路線。微小軸類零件微細切削時如果采用頂尖進行裝夾,一是容易將工件頂彎,二是容易在工件剛性最差的部位產生讓刀,所以微小軸類零件微細切削時一般不使用頂尖進行微細車削,為確保工藝穩定性,減少工件的徑向讓刀量,經常采用逆向進給的方式進行車削,刀具應從床頭向尾座的方向進給,使工件承受拉力作用。

5)加工工序盡量集中。微小零件進行微細切削時,應盡可能遵循工序集中的原則,盡量減少刀具的使用,盡可能減少換刀和刀具調整次數,這樣不僅可以提高刀具的利用率及切削加工的自動化程度,而且可以提高微細切削零件的加工質量。

3 復雜曲面微小零件微細切削加工刀具和參數的選擇

3.1 刀具選擇

3.1.1 刀具材料的選擇

由于微細切削加工時,其切削力一般都比較大,因此經常選用耐熱、耐磨和高強度的刀具材料。為了能夠達到較高的切削精度,要求刀具的刃口半徑和背吃刀量都在數十微米以內,但是切削時如果刀具的吃刀深度太小,容易出現打滑而不能進行連續切削的現象。硬質合金是由硬度很高的難熔金屬碳化物(WC、TiC、TaC和TbC等)和金屬粘結劑(Co、Ni、Mo等)用粉末冶金的方法制成的,它的常溫硬度為89～93 HRA,耐熱溫度為8 000～10 000 ℃,具有良好的耐磨性、耐熱性,因此微細切削加工的刀具常采用硬質合金材料制作的刀具。在微細切削過程中,如果將硬質合金刀具的刃口半徑精修到在幾十微米以內,切削加工時的磨損速度就會較快,因此硬質合金刀具只適于刃口半徑較大時對微小零件進行粗加工,精加工時必須考慮使用硬度和耐磨度更高的刀具材料。金剛石是碳的同素異形體,是自然界中最硬的刀具材料,因此精加工時常常采用金剛石材料刀具[9-11]。

3.1.2 刀具形狀的選擇

對復雜的三維曲面進行加工時,常常選用球頭銑刀,刀具形狀如圖2所示。

圖2 球頭銑刀形狀

由于球頭銑刀的形狀決定了它的尺寸不可能做到足夠小,因此一般采取球頭銑刀對尺寸相對較大的零件進行加工或對尺寸很小的微小零件進行粗加工,而對微小零件的精加工則一般采用偽球頭刀,偽球頭刀的形狀如圖3所示。

圖3 偽球頭刀形狀

3.2 切削用量選擇

微細切削實際加工時,刀具材料為硬質合金,工件材料為硬鋁,刀具轉速為6 000 r/min;粗加工時切削深度為0.05 mm,進給速度為1.5 mm/s;精加工時切削深度0.025 mm,進給速度為1.2 mm/s。

對于球頭立銑刀(見圖4),有效刀具直徑De(單位為mm)為:

圖4 球頭銑刀的加工參數

(1)

式中,Ap是切削深度,單位為mm;D是銑刀球頭直徑,單位為mm。

殘留高度h(單位為mm)為:

(2)

式中,Ae是切削寬度,單位為mm。

由式2可得:

(3)

切削速度vc(單位為m/min)為:

vc=πnDe/1 000

(4)

式中,n是主軸轉速,單位為r/min。

因此,若粗精加工都采用球頭銑刀,當球頭直徑D=1.5 mm,零件表面粗糙度要求為Ra3.2 μm時,即要保證切削厚度殘留高度h≤0.003 2 mm,則切削寬度Ae≤0.14 mm;又由主軸轉速以及切削深度可知,粗加工切削速度為vc=7.12 m/min,精加工切削速度為vc=5.08 m/min。

對于偽球頭刀(見圖5),有效刀具直徑De(單位為mm)為:

圖5 偽球頭刀的加工參數

(5)

式中,Ap是切削深度,單位為mm;r是刀尖半徑,單位為mm;θ是偽球頭刀錐角。

殘留高度h(單位為mm)為:

(6)

式中,Ae是切削寬度,單位為mm。

故由式6得到:

(7)

和球頭銑刀一樣,偽球頭刀的切削速度vc(單位為m/min)為:

vc=πnDe/1 000

(8)

因此,若粗精加工都用偽球頭刀,當刀具錐角θ=60°,刀尖半徑r=0.1 mm,零件表面粗糙度要求為Ra3.2 μm時,即要保證切削厚度殘留高度h≤0.003 2 mm,則切削寬度Ae≤0.104 mm;又由主軸轉速以及切削深度可知,粗加工切削速度為vc=0.77 m/min,精加工切削速度為vc=1.19 m/min。

從球頭銑刀和偽球頭刀的切削參數可以看出,球頭刀適合粗加工,而偽球頭刀只適合對曲面細微處進行最后的修整。所以微細切削加工一般采用球頭刀具。

4 復雜曲面微細切削加工的實際加工

為了驗證數控程序的正確性,在進行復雜曲面微小零件的加工之前,首先應在MasterCAM2022系統中進行仿真,MasterCAM2022仿真加工結果如圖6所示。微小零件實際加工的結果如圖7所示。從實驗加工結果來看,加工出來的零件精度基本滿足要求。存在的問題如下:相對于眼眶等部位的細微曲面來說,精度仍然達不到要求,因為刀具半徑偏大,部分曲面不能完全加工到位,并且受精密機床定位精度的影響,其加工精度相對較差。由此可見,要實現復雜曲面微小零件的高精密加工,需要設計出更精細、更耐磨的刀具(如金剛石球刀),同時提高數控機床的定位精度。

圖6 仿真加工結果

圖7 實際加工結果

5 結語

通過科學設計復雜曲面微小零件微細切削的加工工藝,合理規劃刀具路徑,正確設置切削參數,在微小零件加工機床上用硬鋁作為工件材料試加工出了一個復雜曲面微小零件樣件。從實驗加工結果來看,零件精度基本滿足要求。本文通過對復雜曲面微小零件微細切削加工工藝的研究,旨在指導微細切削加工過程,為微細制造技術的研究與應用奠定基礎。