汽車軸類零件上曲線微溝槽陣列的加工方法

摘 要：汽車傳動(dòng)依靠精密軸類零件，軸上微溝槽陣列具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，選擇微細(xì)機(jī)械加工方法進(jìn)行研究。本文提出了一種汽車軸類零件上曲線微溝槽陣列的加工方法，根據(jù)算法運(yùn)用Matlab計(jì)算仿真，得到加工代碼，并進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，旨在實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、低成本的微溝槽加工。

關(guān)鍵詞：軸類零件 曲線微溝槽陣列 微細(xì)機(jī)械加工

1 緒論

汽車傳動(dòng)依靠精密軸類零件，軸上微溝槽陣列具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前軸類微溝槽陣列的加工技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。常見的加工方法包括微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)、高能束加工技術(shù)、電火花加工技術(shù)和電解加工技術(shù)等。高能束加工技術(shù)如激光加工和電子束加工，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高效率的加工，但設(shè)備成本較高。電火花加工技術(shù)適用于難加工材料的微溝槽加工，但加工表面質(zhì)量有待提高。電解加工技術(shù)則具有加工精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但加工效率相對(duì)較低。微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)通過控制刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工，具有工藝成本低、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行研究。

2 微溝槽加工刀具軌跡規(guī)劃方法

軸類零件表面車削的刀具軌跡如圖1所示。根據(jù)軸類零件表面螺旋車削的刀具軌跡，得到表面微觀形貌的形成示意圖如圖2所示。軸類零件沿著C方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，刀具沿著Z方向橫向進(jìn)給，刀具與工件的聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生殘留高度，形成圓弧狀微觀表面形貌。對(duì)于軸類零件表面的金剛石超精密車削，其表面殘留高度的生成，主要是由工件旋轉(zhuǎn)與刀具進(jìn)給產(chǎn)生的材料去除。軸類零件的金剛石超精密車削能夠得到具有微米級(jí)別粗糙度的表面，然而加工過程中任何變量都有可能影響這種納米表面粗糙度。

對(duì)軸類零件表面形貌形成進(jìn)行分析，取刀位點(diǎn)進(jìn)行微切削分析，刀具以一定切深和進(jìn)給相對(duì)軸類工件運(yùn)動(dòng)，輪廓通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)復(fù)刻刀具輪廓得到。將圓柱表面按照時(shí)間t進(jìn)行離散化，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)間隔為，n為主軸轉(zhuǎn)速，將刀具運(yùn)動(dòng)軌跡沿著Z方向離散，兩輪廓之間的間距為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f，將輥筒表面沿軸向展開如圖3所示。

3 軸類零件表面曲線溝槽刀具軌跡生成算法

曲線溝槽需要采用C（旋轉(zhuǎn)）、X、Z三軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行加工，數(shù)控機(jī)床的G代碼僅能執(zhí)行簡(jiǎn)單的刀路（直線、曲線、宏程序）控制，無法加工復(fù)雜的曲線微溝槽，對(duì)曲線微溝槽加工只能用matlab進(jìn)行自主編程。圖3已對(duì)軸的表面的刀位點(diǎn)用圓的等角度離散法進(jìn)行離散，圖4為軸類零件上加工曲線溝槽示意圖，刀具位置位于XOZ截面上，且Y軸坐標(biāo)不變化，只由刀具的X方向移動(dòng)決定其切削深度，Z軸和C軸聯(lián)動(dòng)決定曲線溝槽的刀具軌跡。

將曲線溝槽陣列沿軸的表面展開得到平面展開圖如圖5所示。

首先，用圓的等角度離散法將C軸方向展開將軸表面分為若干份，每一份角度為，由此可得公式（1）； X方向?yàn)榍邢魃疃龋庸み^程中刀具在X方向切深不變，刀具在Z方向的運(yùn)動(dòng)軌跡與該點(diǎn)的C坐標(biāo)有關(guān)。

（1）

引入微溝槽加工過程中的加工參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速S（r/min）和進(jìn)給速度f（mm/mim）可得式（2），其中t為時(shí)間（min），W為曲線函數(shù)在t時(shí)刻的值。

（2）

單條直曲線溝槽的輪廓圖如圖6所示，以C軸單位旋轉(zhuǎn)角度為離散變量可得點(diǎn)的表達(dá)公式（3），其中R為軸的半徑。

（3）

由于刀具進(jìn)給速度f的存在，直曲線溝槽會(huì)在Z方向傾斜，成為斜曲線溝槽，如圖7所示，傾斜角度用表示，一般將稱為螺旋升角，可表示為式（4），其中為兩曲線溝槽的間隔，根據(jù)轉(zhuǎn)軸公式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，可得輥筒刀具路徑三維坐標(biāo)如式（5）所示

（4）

（5）

選擇正弦曲線作為本次研究對(duì)象，可得式（6），其中A為正弦曲線的波幅，w為波數(shù)（周期密度），為正弦曲線的橫軸；為了研究加工中正弦溝槽參數(shù)變化對(duì)溝槽的影響，盡可能減小加工參數(shù)的影響，將轉(zhuǎn)速S固定，進(jìn)給速度f設(shè)置為0，加工直曲線溝槽。根據(jù)式（5）、（6），運(yùn)用Matlab繪出正弦微溝槽陣列三維仿真圖如圖8所示。

（6）

4 輥筒模具表面超精密加工實(shí)驗(yàn)

根據(jù)刀具軌跡算法，用Matlab編程得到刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行正弦微溝槽陣列的加工，工件材料為鋁合金6061棒料（直徑80 mm）。對(duì)于微溝槽陣列，每個(gè)波型由三個(gè)參數(shù)定義：波幅A、槽深、波數(shù)，設(shè)計(jì)了多種不同的波形參數(shù)形成對(duì)比。以波數(shù)為研究目標(biāo)，溝槽參數(shù)如表1所示。以波幅A為研究目標(biāo)，溝槽參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)過程中離散圓單位角度選取為0.01°。

圖9為按照加工參數(shù)加工后的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果表明，按照上述加工方法，可以加工出特殊曲線微溝槽陣列。

5 結(jié)論與展望

本文提出了一種汽車軸類零件上曲線微溝槽陣列的加工方法，該方法結(jié)合了數(shù)理計(jì)算和加工實(shí)驗(yàn)，旨在實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、低成本的微溝槽加工。未來，需要進(jìn)一步加強(qiáng)微溝槽陣列新型加工技術(shù)的研究，提高加工精度和效率，降低成本和能耗，以滿足汽車工業(yè)的更高需求。

基金項(xiàng)目：2022年度湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目一般資助課題“微結(jié)構(gòu)陣列超精密加工機(jī)理和方法研究”（編號(hào)：22C1108）。

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