何成奎，張 平，李 東，羅朝陽(yáng)

1 影響表面質(zhì)量的因素分析

1.1 刀具幾何形狀分析

超精密車削時(shí)刀具切削部分的幾何形狀直接影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量。在超精密車削較軟金屬時(shí)，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(chǎn)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(duì)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(duì)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(duì)切削過(guò)程有較大影響，一般取2~6 mm[3].在切削時(shí)，刀刃前區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，應(yīng)力集中造成金屬中位錯(cuò)集中，塑性變形和滑移變形就是因此產(chǎn)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(yùn)動(dòng)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(chǎn)生滑移位移。所以減小刃口半徑時(shí)，可以使應(yīng)力集中，金屬的變形更容易，同時(shí)切削力更小，從而得到的表面質(zhì)量就越好。一種圓弧單點(diǎn)金剛石刀具的鋒銳度為68 nm，可用于切削區(qū)域的圓弧半徑為5~6 nm.因此，提高刀刃的鋒銳度時(shí)，不僅可以減小刀具對(duì)金屬的擠壓力，降低金屬的變形，改善加工零件的表面質(zhì)量，同時(shí)還能夠延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

1.2 刀具偏置分析

對(duì)于超精密車削，刀具偏置的校正是其主要任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：刀具偏置會(huì)對(duì)車削零件的質(zhì)量產(chǎn)生影響，特別是對(duì)相對(duì)大孔徑的零件，影響更為顯著，即使是微米級(jí)的偏置，也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，所以刀具偏置校正對(duì)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(huì)產(chǎn)生車削路徑的誤差；垂直偏置會(huì)導(dǎo)致車削零件的中心區(qū)域有金屬殘留。

對(duì)于刀具偏置的傳統(tǒng)校正辦法為試切法，即先對(duì)工件進(jìn)行車削，在此過(guò)程中，通過(guò)不斷測(cè)量觀察工件并調(diào)整刀具位置和起刀點(diǎn)相對(duì)工件坐標(biāo)系的位置來(lái)進(jìn)行校正，直到得到滿意的結(jié)果。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，相應(yīng)的校正效率低、精度低。目前對(duì)刀具偏置的修正大都通過(guò)離線干涉儀對(duì)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(jìn)行面形分析時(shí)，因?yàn)椴煌x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(jì)算值會(huì)受到干擾，從而導(dǎo)致校正精度有限。泰曼格林干涉儀在線檢測(cè)法[4]，通過(guò)對(duì)試切件切削前后進(jìn)行相同位置的檢測(cè)，排除了離焦與傾斜對(duì)面形擬合的影響，刀具波紋度誤差也可以作為系統(tǒng)誤差，所以計(jì)算刀具水平偏置時(shí)，影響因素變少，計(jì)算精度得到很大的提高。此外，用泰曼格林干涉儀在線檢測(cè)法檢測(cè)刀具水平偏置校正時(shí)，只需要通過(guò)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(yīng)力分析

1.3.2 炎癥因子水平檢測(cè) 分別于麻醉誘導(dǎo)前10 min(T0)以及術(shù)后6 h(T1)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(lián)免疫吸附法嚴(yán)格按照操作說(shuō)明書檢測(cè)血清炎癥因子水平，主要包括C-反應(yīng)蛋白(CRP)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等指標(biāo)。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(lǐng)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(yīng)力達(dá)到要求，所以還要研究殘余應(yīng)力產(chǎn)生的緣由，探究其分布規(guī)律對(duì)零件表面質(zhì)量的影響具有重大意義[5]。工件加工表面殘余應(yīng)力指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素都不存在時(shí)，在物體內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力。按成因可分為以下三類：機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形；熱應(yīng)力引起的塑性變形；相變引起的體積變化。在切削過(guò)程中，切削產(chǎn)生的熱應(yīng)力一般達(dá)不到金屬材料的屈服極限，所以熱應(yīng)力不會(huì)引起工件表層的塑性變形，機(jī)械應(yīng)力應(yīng)為殘余應(yīng)力發(fā)生的核心要素。在進(jìn)行超精密車削時(shí)，單位切削力很大，刀具的鈍圓及后刀面對(duì)已加工表面的擠壓和摩擦作用是產(chǎn)生塑性變形的主要原因。

通過(guò)AdvantEdge二維仿真軟件[6]以及實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，切削深度和切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力有顯著影響。其中切削深度的變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響大于切削速度的變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響。切削深度加大時(shí)，切削溫度會(huì)上升，切削力變大，表面殘余應(yīng)力也隨之變大。距表面距離增大時(shí)，應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，且距離持續(xù)變大時(shí)，殘余應(yīng)力絕對(duì)值變小。在10 μm以內(nèi)的超精密車削中，切削速度增大也會(huì)導(dǎo)致切削溫度升高，但切削力變化不大，表面殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。所以可以通過(guò)控制切削深度與切削速度，從而控制工件表面的殘余應(yīng)力大小，以期獲得符合要求的表面質(zhì)量。

1.4 加工環(huán)境分析

超精密車削的高度精密化，對(duì)其加工環(huán)境也有著很高的要求，必需在超穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行，加工環(huán)境的任一微小變化，都有可能對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。一般從三個(gè)方面對(duì)超精密車削加工環(huán)境進(jìn)行控制：防振、恒溫、超凈[7]。

在提高超精密車削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，除了機(jī)床本身的制造和設(shè)計(jì)外，還要保證超精密車削系統(tǒng)免受外界振動(dòng)等因素的干擾?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)隔振系統(tǒng)，來(lái)減少外界振動(dòng)傳入，這樣就可以有效地保證防振這一要求；對(duì)于高精密光學(xué)儀器而言，加工過(guò)程中對(duì)恒溫的控制尤為重要，例如車削大口徑鍺透鏡時(shí)，熱變形對(duì)加工精度有顯著的影響，所以對(duì)這類零件的加工必須在一個(gè)恒溫或者溫度變化極小的環(huán)境，有時(shí)不僅要設(shè)置多層恒溫系統(tǒng)，還要對(duì)機(jī)床本身采取恒溫的保護(hù)措施，在結(jié)構(gòu)上可采取熱對(duì)稱設(shè)計(jì)[8]，減少熱變形對(duì)表面質(zhì)量的影響，以加工出表面質(zhì)量極高的產(chǎn)品[9]；超精密車削時(shí)，有時(shí)候需要得到表面粗糙度接近納米甚至是納米級(jí)[10]的零件，這就對(duì)空氣中的顆粒物提出很高的要求，空氣中的顆粒物過(guò)多或直徑達(dá)到一定級(jí)別時(shí)，就會(huì)造成加工過(guò)程中零件表面的劃傷，損壞加工表面品質(zhì)，因此超精密車削要有一個(gè)超凈的加工環(huán)境，且要對(duì)空氣中的顆粒物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著對(duì)零件表面質(zhì)量要求的嚴(yán)苛，在防振、恒溫和超凈方面的要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)，且會(huì)衍生出新的條件，以適應(yīng)新的要求。

2 超精密車削的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 超精密車削的技術(shù)特點(diǎn)

超精密車削具有以下特點(diǎn)：智能化、精密化、自動(dòng)化、柔性化等[11]。

（1）智能化

現(xiàn)代超精密車削系統(tǒng)逐漸地取代人的體力勞動(dòng)并模擬人類的大腦思維活動(dòng)，能夠獨(dú)立地完成加工過(guò)程并根據(jù)外界因素自主調(diào)整加工參數(shù)來(lái)保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）精密化

目前，超精密車削能夠達(dá)到的尺寸誤差為0.025 μm，表面粗糙度 Ra達(dá)到 0.003 μm[12]，所以納米級(jí)的精度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。超精密車削將向著更高精度、更高效率的方向發(fā)展，在達(dá)到納米級(jí)的精度后，其進(jìn)一步的發(fā)展絕非是幾何上的“相對(duì)縮小”問(wèn)題，可能是一種全新的現(xiàn)象及規(guī)律，對(duì)精密化的定義也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

（3）自動(dòng)化

在超精密車削系統(tǒng)中引進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)，解放了局部人類的勞動(dòng)，提高了加工效率和預(yù)防因人力的疏忽造成的損失。同時(shí)，對(duì)于一些相對(duì)危險(xiǎn)的工作場(chǎng)合，完全可以使用機(jī)器人代替工人，這樣就可以保證人員的安全，減少企業(yè)的損失。

（4）柔性化

科技的發(fā)展和人民的需求使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越頻繁，如何使超精密車削等超精密設(shè)備具備一定的生產(chǎn)柔性來(lái)滿足不同產(chǎn)品的要求是企業(yè)需要面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題；同時(shí)，工作人員在完成工作任務(wù)的同時(shí)，也要滿足生產(chǎn)數(shù)量和生產(chǎn)時(shí)間的要求，生產(chǎn)設(shè)備也要具備在一定內(nèi)適應(yīng)新產(chǎn)品的加工能力。

2.2 超精密車削的發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合超精密車削的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，超精密車削技術(shù)的發(fā)展可能朝著如下方面進(jìn)行。

（1）整合、創(chuàng)新思想的運(yùn)用

超精密車削作為發(fā)展科技的重要手段之一，越來(lái)越受到各國(guó)的重視，所以新成果的出現(xiàn)就變得更加容易，但由于其對(duì)加工精密度的要求十分高，所以依靠傳統(tǒng)的、單一的技術(shù)手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，各種信息化技術(shù)需得到綜合運(yùn)用，才有可能滿足日益嚴(yán)格的要求。超精密車削只有在融合其他高新技術(shù)的基礎(chǔ)上一步步地發(fā)展而來(lái)的，與創(chuàng)新有著不可分割的關(guān)系，所以這門技術(shù)是走在科技前沿的，每一次的發(fā)展都離不開(kāi)創(chuàng)新，所以它的發(fā)展是技術(shù)的整合和創(chuàng)新。

（2）先進(jìn)制造模式的應(yīng)用

先進(jìn)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(gè)方面在超精密車削中的運(yùn)用。

虛擬制造是利用仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)群組協(xié)同工作的方式，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃、加工制造、性能分析以及效益和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。虛擬制造通過(guò)工藝整合化，發(fā)展模塊化超精密加工機(jī)床，可以增強(qiáng)制造過(guò)程中各級(jí)的決策和控制能力；集成制造的核心是從市場(chǎng)預(yù)測(cè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、加工到經(jīng)營(yíng)管理和售后服務(wù)等是一個(gè)整體，加工技術(shù)朝著與相關(guān)專業(yè)技術(shù)高集成度的方向發(fā)展。雖然超精密加工的單元部件的技術(shù)仍在發(fā)展，但最基礎(chǔ)的靜壓技術(shù)、控制技術(shù)、測(cè)試技術(shù)等已經(jīng)發(fā)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(jìn)展。此外綜合應(yīng)用各種單元技術(shù)并結(jié)合工藝技術(shù)的集成技術(shù)已經(jīng)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。這種制造不僅僅集合了物，也集合了技術(shù)，更有利于實(shí)現(xiàn)資源共享；智能制造的特征是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬專家的智能活動(dòng)，使得計(jì)算機(jī)能獨(dú)立地進(jìn)行判斷分析，做出決策，解放人力。以智能化設(shè)備降低加工結(jié)果對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴性一直是制造領(lǐng)域追求的目標(biāo)。加工設(shè)備的智能化程度直接關(guān)系到加工的穩(wěn)定性與加工效率，這一點(diǎn)在超精密加工中體現(xiàn)更為明顯；綠色制造又稱為面向環(huán)境的制造，即在保證產(chǎn)品功能、質(zhì)量及成本的基礎(chǔ)上，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期中，對(duì)環(huán)境的負(fù)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(duì)環(huán)境造成極大負(fù)擔(dān)。綠色化的超精密加工技術(shù)在降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時(shí)，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(chǎn)生。

（3）提高基礎(chǔ)設(shè)施的加工能力

我國(guó)超精密機(jī)床的研究已有十多年，超精密車削機(jī)床及其他超精密機(jī)床等都有了一定的發(fā)展，但是產(chǎn)業(yè)化的格局還沒(méi)有形成，不能滿足超精密加工這個(gè)行業(yè)的需要，國(guó)外進(jìn)口仍然占了大多數(shù)。所以掌握整套裝備技術(shù)是很有必要的，將超精密車削技術(shù)與其他超精密加工技術(shù)整合起來(lái)，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(chǎn)業(yè)鏈。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)常見(jiàn)的幾種影響超精密車削表面質(zhì)量的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)述和分析，包括刀具幾何形狀、刀具偏置、加工表面殘余應(yīng)力以及加工環(huán)境。當(dāng)然影響超精密車削表面質(zhì)量的因素不止這些，還有待進(jìn)一步的研究，以提高其加工精密度，同時(shí)對(duì)超精密車削的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)，期待對(duì)超精密車削發(fā)展提供一定的參考作用。

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