面向汽車零部件微結構陣列的超精密加工方法與技術

摘 要：微結構陣列具有獨特的優勢，能夠顯著改善汽車零部件的摩擦性能、潤滑性能、視覺性能等，在汽車工業中廣泛應用。本文研究微溝槽的表面形貌的生成機理和微溝槽的超精密車削加工方法，通過Matlab仿真得到了表面形貌，控制進給速度并進行實驗，與仿真結果進行對比，找到最優進給速度，有利于提高微溝槽加工精度，具有一定意義。

關鍵詞：微結構陣列 汽車零部件 加工精度

1 緒論

微結構陣列指的是在材料表面形成的一種具有特定形狀、尺寸和分布規律的微小結構。這些結構可以在一定程度上改變材料表面的物理和化學性質，從而改善材料的摩擦學特性、耐磨性、抗粘附性等性能。隨著汽車工業的快速發展，微結構陣列的超精密加工在汽車加工領域具有廣泛的應用，對汽車零部件的精度、性能和可靠性要求越來越高。如發動機上缸套內壁上的微溝槽能改變表面結構，產生動壓效應，改善潤滑性能，有助于降低能耗和提升內燃機使用壽命；齒輪表面的微溝槽結構能夠減少齒面間的摩擦和磨損，提高齒輪的傳動效率和壽命；汽車激光雷達的微透鏡陣列能夠提高激光雷達的性能，增強抗干擾能力，簡化光學系統，提高探測距離和范圍；汽車投影大燈的微透鏡陣列能夠將光源發出的光線進行精確聚焦和投影，在降低能耗的同時有助于增強照明效果，提高道路安全性，實現個性化定制。總之，微溝槽陣列作為一種具有特殊功能的表面結構，能夠顯著改善汽車零部件的摩擦性能、潤滑性能、視覺性能等，因此在汽車加工中得到了廣泛關注和應用。

2 加工方法與技術

微結構陣列超精密加工方法主要包括金剛石超精密切削（利用單點金剛石刀具進行切削加工，能夠實現高精度和高表面質量的微結構陣列）、電解加工（通過電化學反應去除材料，實現微溝槽結構的加工，該方法適用于難加工材料和復雜形狀部件的加工）、激光加工（利用激光束進行微溝槽結構的加工，具有高精度、高效率和高靈活性的特點）、超精密磨削等。這些方法具有高精度、高效率、高靈活性和高可靠性的特點，能夠滿足汽車零部件對微結構陣列的精度和性能要求。

隨著汽車工業的快速發展和技術的不斷進步，微結構陣列在汽車零部件中的應用將更加廣泛和深入。未來，需要進一步加強微結構陣列超精密加工技術的研究和創新，提高加工精度和效率，降低成本和能耗，以滿足汽車工業的更高需求。

3 超精密車削加工精度影響因素

如圖1所示，超精密車削加工精度的影響因素包括材料特性、加工參數、刀具幾何參數、環境條件和機床。國內外大量學者對超精密車削表面精度影響因素進行了大量研究并建立了許多表面粗糙度預測模型，預測模型如下：

（1）

其中，與共計材料的塑性變形與流動相關，f和分別為刀具進給速度和刀尖圓弧半徑。為形成切屑的最小厚度，主要取決于刀具的切削刃口半徑。為表示材料彈性恢復的系數，主要取決于材料的性質，也與刀具前角有關，為表示材料膨脹的系數，由刀尖圓弧半徑、切削刃半徑、進給速度共同決定，E和H是楊氏模量和維氏硬度，為切削刃半徑。

由公式可知刀具進給速度與工件表面粗糙度成正比，即進給速度越大，粗糙度越大。產生這種情況的原因有兩個，第一個是進給速度過大導致工件表面存在未被切削到的地方，影響工件表面完整性，降低表面粗糙度；第二個原因是進給速度增大，導致刀具底部和工件材料之間的摩擦力增加，導致切削熱的急劇增加，工件材料產生熱變形；由公式可知刀尖圓弧半徑與粗糙度成反比，即刀尖圓弧半徑越大，粗糙度越小；由公式可知切削刃半徑與表面粗糙度成正比，這是因為切削刃半徑較大，切削過程中有部分材料未被切削，導致殘留面積越大，殘留面積的存在會影響粗糙度；切削過程中切削深度過大會導致切削力增大，切削熱增加，導致材料熱變形、振動等增加影響工件表面質量。當切削深度過小，刀具與工件材料只發生彈塑性變形而未形成切屑，材料發生粘黏滑動，造成表面粗糙度增大。

4 軸類零件上微溝槽陣列的設計與驗證

為了控制變量，減少影響因素，將軸類零件表面超精密車削的加工過程簡化為平面上微刮削的方法，即機床主軸停止旋轉，刀具和工件進行直線運動完成刮削，如圖2所示。工件材料為純銅棒料，工件樣品為直徑20 mm的圓柱形樣品（軸類零件）。在純銅工件表面采用不同的進給速度（200、400、600、800 mm/min）做平面刮削，切削深度均為3μm，分析材料性能和加工參數對超精密切削表面生成的影響。

軸類零件表面微觀形貌形成機理如圖3所示，因為簡化為平面上微刮削，刀具進給與工件步進完成超精密車削加工，即刀具以切削深度（3μm）在給定的進給（mm/min）下沿工件進行步進直線運動。生成的表面形貌即軸類零件截面輪廓如圖3所示，凹槽輪廓（陰影部分）的形成與加工后形成表面材料殘留有關，對其高度即材料表面殘留高度進行求解得到：

（2）

式中：

f——刀具每轉進給量；

R——刀具刀尖圓弧半徑；

h——表面殘留高度。

由公式（2）可知，表面殘留高度h與刀具每轉進給量f和刀尖圓弧半徑R有關，當f不變時，h隨著刀尖圓弧半徑R的增大而減小，如圖中hmax所示；當R不變時， h隨著進給量f的增大而增大，如圖中hw所示。

對于軸類零件表面圓截面輪廓的形成，在不考慮其他因素影響的理想情況下，形成的理論粗糙度與主軸轉速和進給速率的關系可由經驗公式（3）表示。

（3）

式中：

f—刀具每轉進給量；

V是主軸轉速；

R是刀尖圓弧半徑。

軸類零件加工過程受多種因素影響，主軸轉速不能過小，不然既影響加工效率也會使表面質量變差。而主軸速度過大則會導致熱變形大和產生振動，找到最適宜的主軸轉速加工，以滿足高質量、高形狀精度的要求。根據刀具參數和切削深度參數，根據計算公式，利用matlab建立微刮削加工表面理論形貌（圖4所示），建立切削模型，在此基礎上研究不同進給速度對超精密車削的影響。

當步進和切削深度不變的情況下，不同進給速度下的純銅工件表面測量結果如圖4所示。通過觀察二維形貌圖，發現從（a）-（d）表面形貌越來越好，（a）、（b）圖還會出現大面積的材料堆積的情況（紅色方框區域所示），而（c）、（d）兩圖這種情況消失，其二維輪廓圖中也有體現，同時粗糙度也由45.698 nm下降到21.405 nm，得到比較好的表面形貌。對比主軸旋轉加工，平面上的進給速度與加工時主軸轉速的相對應，進給速度小即輥筒加工主軸轉速較小時，切屑與被車削零件的分離速度小，導致切削層和工件層產生粘黏滑動，無法正常切削，使表面粗糙度增大；由于粘黏滑動，無法正常形成切屑，導致加工過程的不穩定性，切削力的不斷變化導致刀具工件之間存在相對振動影響表面質量。綜上所述，對于超精密加工，選擇合適的切削速度能夠有效地提高表面加工質量。當進給速度為600mm/min、800mm/min時，形成的表面形貌與微刮削加工表面理論形貌相近，具有參考作用。

5 結語

本文探究了超精密車削加工汽車軸類零件上微溝槽表面形貌的生成，建立了表面形貌的理論模型，并進行了對照實驗，通過測量發現實際生成的表面形貌與表面形貌的理論模型形狀相近，具有一定參考意義。在切削速度為600mm/min、800mm/min時，其表面形態無跳動，更加穩定，粗糙度也越好。微結構陣列超精密加工在汽車加工領域具有廣闊的應用前景。隨著汽車工業的快速發展和技術的不斷進步，微溝槽結構在汽車零部件中的應用將更加廣泛和深入。未來，需要進一步加強微溝槽陣列超精密加工技術的研究和創新，提高加工精度和效率，降低成本和能耗，以滿足汽車工業的更高需求。

基金項目：2022年度湖南省教育廳科學研究項目一般資助課題“微結構陣列超精密加工機理和方法研究”（編號：22C1108）。

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