超精密車削表面質量影響因素及發展趨勢研究

何成奎，張 平，李 東，羅朝陽

1 影響表面質量的因素分析

1.1 刀具幾何形狀分析

超精密車削時刀具切削部分的幾何形狀直接影響切削過程的穩定性和表面質量。在超精密車削較軟金屬時，軟金屬由主切削刃和前刀面去除，在前刀面的作用下，切削層產生剪切滑移和塑性變形，然后形成切削沿前刀面流出。所以前刀面對塑性變形的程度、切削的卷曲形式和切削刀具之間的摩擦特性有很大的影響，而且對切削力、切削溫度、切削折斷方式有著直接顯著的影響。前刀面和后刀面的交線為主切削刃，它不是一條理想的直線，而是微觀交接的曲線，該曲面與其在不同位置的法平面相交成交線的平均曲率半徑為刃口半徑，反映了曲面的形狀。刃口半徑值對切削過程有較大影響，一般取2~6 mm[3].在切削時，刀刃前區的應力狀態十分復雜，應力集中造成金屬中位錯集中，塑性變形和滑移變形就是因此產生的。一部分金屬形成切削從前刀面流出，另一部分在后刀面的熨壓作用下留在了加工表面。由于兩部分金屬運動方向不同，使得刀刃口前端金屬受到拉伸力，金屬的抗剪切力下降，在刀刃作用下產生滑移位移。所以減小刃口半徑時，可以使應力集中，金屬的變形更容易，同時切削力更小，從而得到的表面質量就越好。一種圓弧單點金剛石刀具的鋒銳度為68 nm，可用于切削區域的圓弧半徑為5~6 nm.因此，提高刀刃的鋒銳度時，不僅可以減小刀具對金屬的擠壓力，降低金屬的變形，改善加工零件的表面質量，同時還能夠延長刀具的使用壽命。

1.2 刀具偏置分析

對于超精密車削，刀具偏置的校正是其主要任務。實驗結果表明：刀具偏置會對車削零件的質量產生影響，特別是對相對大孔徑的零件，影響更為顯著，即使是微米級的偏置，也會產生較大的誤差，所以刀具偏置校正對提高車削效率及精度有重大意義。刀具偏置有兩種類型，即水平偏置和垂直偏置。水平偏置會產生車削路徑的誤差；垂直偏置會導致車削零件的中心區域有金屬殘留。

對于刀具偏置的傳統校正辦法為試切法，即先對工件進行車削，在此過程中，通過不斷測量觀察工件并調整刀具位置和起刀點相對工件坐標系的位置來進行校正，直到得到滿意的結果。這種方法費時費力，相應的校正效率低、精度低。目前對刀具偏置的修正大都通過離線干涉儀對試切件的面形誤差擬合反算得出刀具水平偏置的校正量。但采用這種方法進行面形分析時，因為不同離焦與傾斜的存在，使得面形精密度受限，此外由于存在刀具波紋度，校正計算值會受到干擾，從而導致校正精度有限。泰曼格林干涉儀在線檢測法[4]，通過對試切件切削前后進行相同位置的檢測，排除了離焦與傾斜對面形擬合的影響，刀具波紋度誤差也可以作為系統誤差，所以計算刀具水平偏置時，影響因素變少，計算精度得到很大的提高。此外，用泰曼格林干涉儀在線檢測法檢測刀具水平偏置校正時，只需要通過一次車削，就可以得到校正值，所以這是一種較好的工藝方法。

1.3 加工表面殘余應力分析

1.3.2 炎癥因子水平檢測 分別于麻醉誘導前10 min(T0)以及術后6 h(T1)兩個時間點采集患者靜脈血5 ml，離心處理之后分離血清，置于-40 ℃的冰箱中保存待檢，采用酶聯免疫吸附法嚴格按照操作說明書檢測血清炎癥因子水平，主要包括C-反應蛋白(CRP)、白細胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等指標。試劑盒由廣州市雷德生物科技有限公司提供。

超精密車削加工的零件多用于尖端領域，除了具有很高的尺寸精度、位置精度外，還必須滿足零件加工表面的殘余應力達到要求，所以還要研究殘余應力產生的緣由，探究其分布規律對零件表面質量的影響具有重大意義[5]。工件加工表面殘余應力指產生應力的各種因素都不存在時，在物體內部仍然存在并自身保持平衡的應力。按成因可分為以下三類：機械應力引起的塑性變形；熱應力引起的塑性變形；相變引起的體積變化。在切削過程中，切削產生的熱應力一般達不到金屬材料的屈服極限，所以熱應力不會引起工件表層的塑性變形，機械應力應為殘余應力發生的核心要素。在進行超精密車削時，單位切削力很大，刀具的鈍圓及后刀面對已加工表面的擠壓和摩擦作用是產生塑性變形的主要原因。

通過AdvantEdge二維仿真軟件[6]以及實驗研究可以發現，切削深度和切削速度對表面殘余應力有顯著影響。其中切削深度的變化對殘余應力的影響大于切削速度的變化對殘余應力的影響。切削深度加大時，切削溫度會上升，切削力變大，表面殘余應力也隨之變大。距表面距離增大時，應力由壓應力轉變為拉應力，且距離持續變大時，殘余應力絕對值變小。在10 μm以內的超精密車削中，切削速度增大也會導致切削溫度升高，但切削力變化不大，表面殘余應力有減小的趨勢。所以可以通過控制切削深度與切削速度，從而控制工件表面的殘余應力大小，以期獲得符合要求的表面質量。

1.4 加工環境分析

超精密車削的高度精密化，對其加工環境也有著很高的要求，必需在超穩定的環境下進行，加工環境的任一微小變化，都有可能對表面質量產生很大的影響。一般從三個方面對超精密車削加工環境進行控制：防振、恒溫、超凈[7]。

在提高超精密車削系統的動態穩定性時，除了機床本身的制造和設計外，還要保證超精密車削系統免受外界振動等因素的干擾?？梢酝ㄟ^設計隔振系統，來減少外界振動傳入，這樣就可以有效地保證防振這一要求；對于高精密光學儀器而言，加工過程中對恒溫的控制尤為重要，例如車削大口徑鍺透鏡時，熱變形對加工精度有顯著的影響，所以對這類零件的加工必須在一個恒溫或者溫度變化極小的環境，有時不僅要設置多層恒溫系統，還要對機床本身采取恒溫的保護措施，在結構上可采取熱對稱設計[8]，減少熱變形對表面質量的影響，以加工出表面質量極高的產品[9]；超精密車削時，有時候需要得到表面粗糙度接近納米甚至是納米級[10]的零件，這就對空氣中的顆粒物提出很高的要求，空氣中的顆粒物過多或直徑達到一定級別時，就會造成加工過程中零件表面的劃傷，損壞加工表面品質，因此超精密車削要有一個超凈的加工環境，且要對空氣中的顆粒物進行實時監測。隨著對零件表面質量要求的嚴苛，在防振、恒溫和超凈方面的要求也會越來越嚴，且會衍生出新的條件，以適應新的要求。

2 超精密車削的特點及發展趨勢

2.1 超精密車削的技術特點

超精密車削具有以下特點：智能化、精密化、自動化、柔性化等[11]。

（1）智能化

現代超精密車削系統逐漸地取代人的體力勞動并模擬人類的大腦思維活動，能夠獨立地完成加工過程并根據外界因素自主調整加工參數來保證正常運轉。

（2）精密化

目前，超精密車削能夠達到的尺寸誤差為0.025 μm，表面粗糙度 Ra達到 0.003 μm[12]，所以納米級的精度已經實現。超精密車削將向著更高精度、更高效率的方向發展，在達到納米級的精度后，其進一步的發展絕非是幾何上的“相對縮小”問題，可能是一種全新的現象及規律，對精密化的定義也會發生相應的改變。

（3）自動化

在超精密車削系統中引進自動化技術，解放了局部人類的勞動，提高了加工效率和預防因人力的疏忽造成的損失。同時，對于一些相對危險的工作場合，完全可以使用機器人代替工人，這樣就可以保證人員的安全，減少企業的損失。

（4）柔性化

科技的發展和人民的需求使得產品的更新換代越來越頻繁，如何使超精密車削等超精密設備具備一定的生產柔性來滿足不同產品的要求是企業需要面臨的一個現實問題；同時，工作人員在完成工作任務的同時，也要滿足生產數量和生產時間的要求，生產設備也要具備在一定內適應新產品的加工能力。

2.2 超精密車削的發展趨勢

結合超精密車削的特點和研究現狀，超精密車削技術的發展可能朝著如下方面進行。

（1）整合、創新思想的運用

超精密車削作為發展科技的重要手段之一，越來越受到各國的重視，所以新成果的出現就變得更加容易，但由于其對加工精密度的要求十分高，所以依靠傳統的、單一的技術手段是遠遠不夠的，各種信息化技術需得到綜合運用，才有可能滿足日益嚴格的要求。超精密車削只有在融合其他高新技術的基礎上一步步地發展而來的，與創新有著不可分割的關系，所以這門技術是走在科技前沿的，每一次的發展都離不開創新，所以它的發展是技術的整合和創新。

（2）先進制造模式的應用

先進制造模式主要指虛擬制造、集成制造、智能制造和綠色制造等四個方面在超精密車削中的運用。

虛擬制造是利用仿真和虛擬現實技術，通過群組協同工作的方式，對產品進行設計、規劃、加工制造、性能分析以及效益和風險評估等。虛擬制造通過工藝整合化，發展模塊化超精密加工機床，可以增強制造過程中各級的決策和控制能力；集成制造的核心是從市場預測、產品設計、制造、加工到經營管理和售后服務等是一個整體，加工技術朝著與相關專業技術高集成度的方向發展。雖然超精密加工的單元部件的技術仍在發展，但最基礎的靜壓技術、控制技術、測試技術等已經發展到一定階段，只有從新的材料、新的工藝、新的理論突破入手才能有較大的進展。此外綜合應用各種單元技術并結合工藝技術的集成技術已經成為一種新的發展趨勢。這種制造不僅僅集合了物，也集合了技術，更有利于實現資源共享；智能制造的特征是通過計算機模擬專家的智能活動，使得計算機能獨立地進行判斷分析，做出決策，解放人力。以智能化設備降低加工結果對人工經驗的依賴性一直是制造領域追求的目標。加工設備的智能化程度直接關系到加工的穩定性與加工效率，這一點在超精密加工中體現更為明顯；綠色制造又稱為面向環境的制造，即在保證產品功能、質量及成本的基礎上，綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，在產品的整個壽命周期中，對環境的負面影響最小。磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等對環境造成極大負擔。綠色化的超精密加工技術在降低環境負擔的同時，提高了自身的生命力。資源能得到最高效利用，最根本的是減少資源的消耗和廢棄物的產生。

（3）提高基礎設施的加工能力

我國超精密機床的研究已有十多年，超精密車削機床及其他超精密機床等都有了一定的發展，但是產業化的格局還沒有形成，不能滿足超精密加工這個行業的需要，國外進口仍然占了大多數。所以掌握整套裝備技術是很有必要的，將超精密車削技術與其他超精密加工技術整合起來，使超精密車削得到最有效的利用，才能取得1+1＞2的效果，形成自己的產業鏈。

3 結束語

本文對常見的幾種影響超精密車削表面質量的因素進行了簡述和分析，包括刀具幾何形狀、刀具偏置、加工表面殘余應力以及加工環境。當然影響超精密車削表面質量的因素不止這些，還有待進一步的研究，以提高其加工精密度，同時對超精密車削的發展方向進行了預測，期待對超精密車削發展提供一定的參考作用。

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