大尺寸薄鋁板的單點金剛石飛切加工工藝研究*

夏 歡,韓長慶,肖 虹

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

大尺寸薄鋁板的單點金剛石飛切加工工藝研究*

夏 歡,韓長慶,肖 虹

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

大尺寸薄鋁板在加工過程中容易變形，因此無法滿足使用要求，為了解決330mm×330mm×10mm薄鋁板的高表面粗糙度和面型精度要求，文章介紹了采用單點金剛石飛切機床，進行了大尺寸薄鋁板件的超精密切削工藝技術研究，探索了裝卡方式和切削深度對表面粗糙度和面型的影響，優化切削工藝參數，實現了330mm×330mm×10mm大尺寸薄鋁板件的加工精度要求。

薄鋁板；單點金剛石飛切；表面粗糙度；面型精度

0 引言

單點金剛石切削加工技術(SPDT)是20世紀80年代初期發展起來的新技術[1-6]，使用單點金剛石切削技術，可以一次加工出納米級的高精度表面，效率高，廣泛應用在有色金屬、有機材料等超精密加工領域。隨著切削加工理論的發展，該技術已逐漸應用于高精度光學塑性和脆性零件的超精密加工中[7-10]。

對于高精度的大尺寸薄鋁板的加工存在一些難點，如裝卡變形、內部殘余應力和表面加工殘余應力在加工后釋放引起變形等。本文以單點金剛石飛切設備為加工手段，通過大量的工藝切削實驗，掌握裝卡方式及切削參數對大尺寸薄鋁板的精度影響規律，并掌握了大尺寸薄鋁板的超精密切削加工工藝方法。

1 切削工藝分析

1.1 加工分析

要實現大尺寸薄鋁板的納米級加工表面，首先必須消除大尺寸薄鋁板材料的殘余內應力；其次解決大尺寸薄鋁板件的裝卡問題；再次確定切削深度、進給速度以及主軸轉速。

1.2 切削實驗方案

在單點金剛石飛切過程中，裝卡方式以及表面切削殘余應力影響面型精度，切深(ap)、進給速度(f)以及主軸轉速(s)影響表面粗糙度和表面質量。因此，對大尺寸薄鋁板的切削工藝的實驗主要是對上述工藝參數進行研究。

本實驗采用以下方式進行研究：

(1)在不同的加工階段采用不同的裝卡方式，修正薄鋁板件的平面度及上下兩被加工面的平行度。

(2)通過切削實驗找出切削深度引起的表面殘余應力對面型的影響以及對加工表面質量的影響。

(3)確定合理切深后，再確定進給速率、主軸轉速兩個主工藝參數對薄鋁板加工表面的影響規律，得到最優化的參數組合。

2 工藝實驗研究

2.1 不同裝卡方式對面型的影響

采用真空吸具產生小真空吸力，再加兩點擋的方式進行粗加工，如圖1所示；四點擋的方式進行精加工，如圖2所示。

圖1 小真空吸力加兩點擋的裝卡方式

大尺寸薄鋁板經過熱處理去內應力后，存在較大的變形，采用小真空吸力加兩點擋的方式進行粗加工，可以比較快速的修正鋁板的平面度和兩面的平行度，提高加工效率。擋的時候每邊只能采用2點擋法，被加工件本身側面的小平面沒有平面度要求，擋條本身平面度也很差，如果采用面接觸會導致壓緊接觸點不對稱和夾緊力不好控制等問題，從而使得被加工件產生晃動，影響被加工件的粗糙度和表面質量。因此，在每個擋條上安裝2個尖頭螺釘，可通過螺釘的旋轉運動來較為精確的調整夾緊力。擋條的凹槽剛度差容易變形，影響擋力的均勻性。因此，在凹槽外增加一個凹槽兩側的連接條，可使得擋條剛度增加，滿足使用要求。

圖2 四點擋的裝卡方式

粗加工后去掉真空吸力，開始采用四點擋的方式進行精加工。精加工過程中的切削力只有3～5N，采用四點的螺釘頂緊力所產生的摩擦力大于切削力，所以被加工件不會產生相對于真空吸具的運動，滿足加工要求。如果還采用真空吸力，當加工完成后去除真空吸力，會引起薄鋁板10μm左右的變形，始終無法滿足加工要求。

由于切削加工過程中鋁板要噴油潤滑，使得被加工件與工作臺面之間存在油膜，真空吸力很大，取下被加工件時不能用力，否則將產生5μm左右的變形。加工后反向通氣，通過氣壓使被加工件基面與工作臺面分離，這樣可以保持被加工件的精度。

2.2 不同切深對表面殘余應力及粗糙度的影響

取s=265r/min，f=2mm/min。進一步分析切深對被加工件質量的影響，取為ap=2μm、ap=3μm、ap=5μm、ap=8μm。得到不同切削深度條件下表面粗糙度。ap=8μm和2μm時，被加工件表面質量普遍比ap=5μm和3μm時差，這說明切深ap對塑性材料的切削有重要影響，當ap值太大時，被加工件表面殘余應力大，導致后期變形；另外切深過大導致切削崩裂，影響被加工件的表面質量，當ap值太小時，被加工件表面的切削屬于擠壓切削，被加工件表面質量出現急劇下降，出現裂紋，即ap值存在最優值，在3-5μm之間。

2.3 不同進給速度和主軸轉速對表面粗糙度的影響

實驗表明當f值越小則越易實現塑性切削，但實際結果表明被加工表明粗糙度并不隨f的減小而單調減小，而是有一個極值。當f太小時，閉環控制的振蕩量相對于f值變大，使刀具沿進給方向運動不均勻，從而造成加工表面粗糙度增大。這是受機床導軌定位與重復定位精度和導軌直線度的影響。

確定最佳切深和進給速度后，改變轉速，測試機床的振動情況。機床本身存在一定的固有頻率，我們選擇的轉速應盡量避免與機床產生共振，而導致被加工件表面質量變差。

不同轉速下機床的振動情況如表1。

表1 機床不同轉速下導軌的垂直和水平方向振動 幅值與頻率的關系

在盡量采用高轉速的情況下，采用振幅最小時的轉速，為避開16.53Hz的高振幅，采用265r/min的轉速，圖3、4分別為265r/min時的垂直方向和水平方向的振動頻域圖。

圖3 垂直方向幅值和頻率關系圖

圖4 水平方向幅值和頻率關系圖

根據振動情況，確定主軸轉速為265r/min，切深為3μm，進給速度為2mm/min。

3 實驗結果

通過上述工藝參數的優化切削實驗，在單點金剛石飛切設備中進行了大尺寸薄鋁板零件(330mm×330mm×10mm)的切削加工工藝研究。切削參數選擇為：s=265r/min，f=2mm/min，ap=3μm，加工后實測薄鋁板的表面粗糙(Ra值)達到7.8nm，面型精度達到9.618μm。測量結果如圖5、6所示。

圖5 330mm×330mm×10mm薄鋁板面型精度實測值

圖6 330mm×330mm×10mm薄鋁板表面粗糙度實測值

4 結論

本文對影響大尺寸薄鋁板的超精密切削因素進行了實驗研究，包括裝卡方式和切削參數，并通過系統的

切削實驗進行分析和研究，優化了裝卡方式和工藝參數，并實現了大尺寸薄鋁板零件的超精密加工。得出以下結論：

(1)裝卡方式影響被加工件的面型精度，對薄板件采用真空吸力，加工后去除真空吸力，薄板本身會產生變形，無法達到10μm以下的平面度要求。采用四點擋的方式可以提高被加工件的面型精度；

(2)切削三要素f、ap、s均對被加工件表面質量有重要影響，在s=265r/min，ap=3μm，f=2mm/min時可取得較好的結果；

(3)機床導軌的運動和控制精度決定了f值和ap值所能達到的最小值。

[1] 楊力.先進光學制造技術[M].北京:科學出版社,2001.

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[5] 張坤領,林彬,王曉峰.非球面加工現狀[J].組合機床與自動化加工技術,2007(5):1-6.

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[7] 袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技術[M].北京:機械工業出版社,1999.

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[10] 孫大涌.先進制造技術[M].北京:機械工業出版社.2001.

(編輯 趙蓉)

Research on Single-point Diamond Fly-cutting Machining of Large Size Thin Aluminum Plates

XIA Huan, HAN Chang-qing, XIAO Hong

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China)

Manufacturing of large size thin aluminum plates with a high accuracy is very difficult due to distortion in machining process. In this paper, some preliminary experimental investigations for high-precisely manufacturing a large size thin aluminum plates (330mm in length, 330mm in width and 10mm in thickness) were performed by utilizing a single-point diamond fly-cutting machine. Based on the experimental results, the effects of alternate clamping methods and cutting depths on surface roughness and surface figure accuracy were studied. The required machining accuracies were reached with the evaluated optimum values of the processing parameters.

thin aluminum plate; single-point diamond fly-cutting; surface roughness, surface figure accuracy

1001-2265(2014)06-0106-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.029

收稿日期：2013-10-03；修回日期：2013-10-29

國家"高檔數控機床與基礎制造裝備"科技重大專項"強激光光學元件超精密制造關鍵裝備研制"課題資助(2013ZX04006011)

夏歡(1981—)，男，滿族，遼寧丹東人，中國工程物理研究院工程師，碩士，主要研究方向為空氣靜壓支承技術，(E-mail) 15881424257@163.com 。

TH165;TG65

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