SiO2氣凝膠微圓柱精密車削工藝研究

陶洋， 劉世忠， 傅剛， 袁光輝， 高林， 張春雨

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽 621900）

0 引言

SiO2氣凝膠材料具有密度低、孔隙率高、疏水能力強、導熱系數(shù)小、耐腐蝕、光學透過性好及聲速性低等性能特點[1]，SiO2氣凝膠可以作為光透保溫材料、超輕聲阻材料、聚變?nèi)剂衔捷d體等廣泛應用于太陽能環(huán)保、航空航天、核聚變等諸多領域[2]，如圖1所示。SiO2氣凝膠元件也被加工成各類復雜形狀，其加工質(zhì)量及精度直接影響其元件的使用性能，但SiO2氣凝膠材料可加工性能差、加工難度大，制備方法受到限制，極大地限制了SiO2氣凝膠材料在太陽能環(huán)保、航空航天、核聚變等諸多領域的應用。因此，針對SiO2氣凝膠材料的特點，實現(xiàn)其高精度、低損傷的制備，對促進其在各行各業(yè)中的使用有著重要的意義。

圖1 SiO2氣凝膠應用領域[2]

現(xiàn)階段SiO2氣凝膠材料的加工方式主要以精密車削為主，然而SiO2氣凝膠材料力學性能較差：僅42 MPa的彈性模量導致其脆性非常大，進行車、銑等加工過程中很容易發(fā)生表面破碎、撕裂等現(xiàn)象，表面質(zhì)量會嚴重下降；SiO2氣凝膠的抗拉強度較小，使其加工過程中受拉、擠壓時會發(fā)生嚴重形變，甚至造成材料出現(xiàn)裂紋、發(fā)生斷裂。綜上所述，SiO2氣凝膠在機械冷加工過程中如何調(diào)控制備方法、工藝，避免加工損傷，成為解決其制備難題的關鍵因素[3-5]。

本文為實現(xiàn)SiO2氣凝膠微圓柱高質(zhì)量的精密車削加工，針對SiO2氣凝膠材料加工易損傷、表面質(zhì)量差的問題，通過分析材料屬性確定了車刀關鍵參數(shù)，通過單因素實驗獲得了關鍵加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，最后確定了SiO2氣凝膠微圓柱最優(yōu)的加工工藝方案。

1 車削實驗方案設計

1.1 車刀的選擇

本實驗所加工的SiO2氣凝膠微圓柱尺寸如下：長度為1 mm、直徑為0.6 mm。由于加工尺寸較小，且材料偏軟、強度很差（彈性模量僅為42 MPa[6-7]），如果加工時切削力過大，就很容易導致材料變形和表面破碎，嚴重影響表面加工質(zhì)量。因此要求其車削刀具具有極鋒利的切削刃、較低的摩擦因數(shù)、非常高的導熱性和很低的熱膨脹系數(shù)。由于尖刃單晶金剛石車刀相對于普通金剛石車刀具有更小的切削區(qū)域、更光滑的前刀面及更鋒利的刀尖刃口，可以有效地降低切削力，因此適合SiO2氣凝膠材料的精密車削，圖2所示為本實驗中所用的SiO2氣凝膠毛坯材料，圖3所示為本實驗中選取的尖刃單晶金剛石車刀，刀尖角為60°。

圖2 SiO2 氣凝膠毛坯

圖3 尖刃單晶金剛石車刀

1.2 車刀參數(shù)的確定

本實驗對尖刃單晶金剛石車刀的前角、后角、主偏角、副偏角及刃傾角的選定進行了分析，具體如下：1）前角的選取。在車削過程中，SiO2氣凝膠材料表面形變甚至斷裂主要是切削力過大導致的，而文獻表明選取正前角的刀具可以使切削力明顯降低，經(jīng)過實驗驗證前角控制在5°～8°時效果較好[8]。本實驗刀具前角選定為5°。2）后角。車刀后角在車削過程中的作用主要是與前角形成刀具切削刃，改善工件加工過程中材料與工件間的摩擦狀態(tài)；后角過大，則刀具鋒利程度下降，摩擦力過大，后角過小則會嚴重影響刀具強度，因此選擇合適的后角可以有效地提高表面加工質(zhì)量。實驗證明，后角在10°～20°范圍內(nèi)效果較好[9]。本實驗后角選定為10°。3）主副偏角。對于剛度較差的SiO2氣凝膠加工，車刀主偏角必須不小于90°，可以使刀具切削過程的背向力趨于最小值。副偏角主要影響切屑的有效排出，提供良好的散熱條件，保證工件的切削質(zhì)量，但副偏角過大也會直接影響刀尖強度和耐磨損性能[9]。由于實驗中選取刀具尖角為60°，因此，本實驗選取車刀主偏角為93°，副偏角為27°。4）車刀刃傾角。刃傾角是決定流屑方向的關鍵因素，基于金剛石刀具的晶向和刃磨性，這里刃傾角選擇為0°。

1.3 實驗方案

為了獲得關鍵加工參數(shù)對SiO2氣凝膠表面質(zhì)量的影響規(guī)律，本實驗基于選取的尖刃金剛石車刀對SiO2氣凝膠進行多組單因素車削實驗研究，單因素變量分別為：背吃刀量a、進給量f及主軸轉(zhuǎn)速n。SiO2氣凝膠的車削實驗在精密三軸數(shù)控車床進行，采用光學顯微鏡對車削后的工件形貌進行表征，選擇白光干涉儀對工件加工后表面質(zhì)量進行檢測。

根據(jù)實驗結(jié)果確定SiO2氣凝膠最優(yōu)車削工藝，并對SiO2氣凝膠微柱工件進行加工驗證。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 單因素車削實驗結(jié)果分析

選擇切削用量以減小切削力、減少刀具對工件的影響，同時保證工件表面質(zhì)量。單因素車削實驗結(jié)果及分析如下。

1）背吃刀量a。

如圖4所示，隨著背吃刀量從2 μm增大到100 μm，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢，其大小在260～520 nm之間，當背吃刀量為20 μm時獲得最低的加工表面粗糙度為260 nm；當背吃刀量進一步增加，加工表面粗糙度值會急劇上升，加工表面將變得粗糙，粗糙度甚至達到520 nm。這是因為當背吃刀量過大時工件和材料之間接觸區(qū)域較大，擠壓情況增加，因此造成車削力和熱累積嚴重增加，從而工件發(fā)生嚴重變形甚至開始產(chǎn)生微裂紋，且表面質(zhì)量下降；然而當背吃刀量過小時，由于SiO2氣凝膠材料的彈性作用，無法實現(xiàn)材料的最小切削塑性去除。因此，當背吃刀量為20 μm時，車削后的表面質(zhì)量最佳。

圖4 背吃刀量對工件表面粗糙度影響

2）進給量f。

如圖5所示，隨著進給量從1 μm/r增加到80 μm/r，車削后的表面粗糙度整體呈上升趨勢。當進給量非常小的時候，表面粗糙度增加趨勢較為平緩；當進給量增大到5 μm/r以上時，表面粗糙度與進給量之間呈現(xiàn)類似線性增長的關系。進給量表示刀具每轉(zhuǎn)前進的距離，進給量增大會使切削厚度及切削力增大，隨著切削力的增大，工件在加工過程中的變形和破碎引起表面質(zhì)量的下降，因此，當進給量增加時，表面粗糙度也會隨之增加。為了提升車削表面質(zhì)量，需要降低車削進給量，同時進給量與加工效率有直接關系，當進給量小于5 μm/r時，繼續(xù)減小進給量，表面質(zhì)量提升不明顯，因此，車削過程最佳進給量為5 μm/r。

圖5 進給量對工件表面粗糙度影響

3）主軸轉(zhuǎn)速n。

如圖6所示，主軸轉(zhuǎn)速為400～1200 r/min時，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而降低，這是因為機床轉(zhuǎn)速的提高可以提高工件與刀具間的相對速度，有效降低切削力。因此，工件受到切削作用產(chǎn)生的受力變形也會降低，避免了加工過程中因變形過大導致的斷裂、破碎等問題，材料塑性去除效果更好，表面粗糙度也隨之降低。當主軸轉(zhuǎn)速為1200～2000 r/min時，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是由于SiO2氣凝膠材料偏軟且具有一定的彈性，當轉(zhuǎn)速增加到一定程度時，材料在轉(zhuǎn)動慣性的作用下會發(fā)生具有一定頻率的彈性振動，并且過高的轉(zhuǎn)速也會造成機床穩(wěn)定性下降，都會大大降低整個車削過程的穩(wěn)定性。因此，加工SiO2氣凝膠時，機床轉(zhuǎn)速應控制在一定范圍內(nèi)。當主軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min時具有最低的加工表面粗糙度。

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度影響

綜合以上實驗結(jié)果可以確定，最佳車削工藝參數(shù)為：背吃刀量為20 μm，進給量為5 μm/r，主軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min。

2.2 SiO2氣凝膠微柱車削工藝驗證

基于之前確定的SiO2氣凝膠最佳工藝路線對SiO2氣凝膠微柱進行車削實驗，微柱尺寸為φ0.6 mm×1 mm，加工數(shù)量為10個。圖7所示為加工完成后的SiO2氣凝膠微柱，加工后的圓柱端面和柱面比較平整，表面無明顯破碎缺陷。進一步對其圓柱直徑尺寸及端面和柱面的表面粗糙度進行測量，檢測結(jié)果如表1所示。圖8所示為SiO2氣凝膠微柱的尺寸誤差分布，加工完成后10組SiO2氣凝膠微圓柱樣本的直徑誤差值小于13 μm，其加工誤差波動很小，精度很高。這表明：采用尖刃金剛石車刀，在合理的工藝參數(shù)下，可以獲得高精度的SiO2氣凝膠零部件。

圖7 車削后的SiO2氣凝膠微柱

圖8 SiO2 氣凝膠微柱外形尺寸公差

表1 SiO2氣凝膠微柱尺寸及粗糙度

由表1 中可見，車削后的端面粗糙度為154 ～184 nm，圓柱面的粗糙度為205～232 nm，圓柱面相對于端面具有更高的表面粗糙度。圖9所示為典型的SiO2氣凝膠加工后圓柱面和端面的表面粗糙度及表面三維輪廓形貌，與端面相比，圓柱面具有更加嚴重的車削振紋和凹坑，這是由于柱面在車刀加工的作用下更容易發(fā)生徑向變形導致的，端面由于材料車削過程中軸向變形相對較小，在車削過程中穩(wěn)定性更高，因此獲得較高的表面質(zhì)量。

圖9 SiO2 氣凝膠微柱表面粗糙度結(jié)果

3 結(jié)論

本文確定了加工SiO2氣凝膠尖刃單晶金剛石車刀參數(shù)，研究了其精密車削工藝參數(shù)中背吃刀量a、進給量f、主軸轉(zhuǎn)速n對SiO2氣凝膠部件加工表面質(zhì)量和加工精度的影響，并對車削參數(shù)進行了優(yōu)化。結(jié)果表明，當背吃刀量為20 μm、進給量為5 μm/r、主軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min時，可以獲得最低的表面粗糙度。基于優(yōu)化后的工藝，對SiO2氣凝膠微圓柱工件進行加工，尺寸誤差在±13 μm以內(nèi)，圓柱面粗糙度低于232 nm，端面粗糙度低于184 nm。