摘 要：微結(jié)構(gòu)陣列具有獨(dú)特的優(yōu)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(yè)中廣泛應(yīng)用。本文研究微溝槽的表面形貌的生成機(jī)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(jìn)給速度并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，找到最優(yōu)進(jìn)給速度，有利于提高微溝槽加工精度，具有一定意義。

關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)陣列 汽車零部件 加工精度

1 緒論

微結(jié)構(gòu)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(guī)律的微小結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以在一定程度上改變材料表面的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而改善材料的摩擦學(xué)特性、耐磨性、抗粘附性等性能。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)陣列的超精密加工在汽車加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，對汽車零部件的精度、性能和可靠性要求越來越高。如發(fā)動機(jī)上缸套內(nèi)壁上的微溝槽能改變表面結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生動壓效應(yīng)，改善潤滑性能，有助于降低能耗和提升內(nèi)燃機(jī)使用壽命；齒輪表面的微溝槽結(jié)構(gòu)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(dá)的微透鏡陣列能夠提高激光雷達(dá)的性能，增強(qiáng)抗干擾能力，簡化光學(xué)系統(tǒng)，提高探測距離和范圍；汽車投影大燈的微透鏡陣列能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的光線進(jìn)行精確聚焦和投影，在降低能耗的同時有助于增強(qiáng)照明效果，提高道路安全性，實(shí)現(xiàn)個性化定制?？傊?，微溝槽陣列作為一種具有特殊功能的表面結(jié)構(gòu)，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(guān)注和應(yīng)用。

2 加工方法與技術(shù)

微結(jié)構(gòu)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(diǎn)金剛石刀具進(jìn)行切削加工，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高表面質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)陣列）、電解加工（通過電化學(xué)反應(yīng)去除材料，實(shí)現(xiàn)微溝槽結(jié)構(gòu)的加工，該方法適用于難加工材料和復(fù)雜形狀部件的加工）、激光加工（利用激光束進(jìn)行微溝槽結(jié)構(gòu)的加工，具有高精度、高效率和高靈活性的特點(diǎn)）、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(diǎn)，能夠滿足汽車零部件對微結(jié)構(gòu)陣列的精度和性能要求。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，微結(jié)構(gòu)陣列在汽車零部件中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。未來，需要進(jìn)一步加強(qiáng)微結(jié)構(gòu)陣列超精密加工技術(shù)的研究和創(chuàng)新，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。

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(shù)、刀具幾何參數(shù)、環(huán)境條件和機(jī)床。國內(nèi)外大量學(xué)者對超精密車削表面精度影響因素進(jìn)行了大量研究并建立了許多表面粗糙度預(yù)測模型，預(yù)測模型如下：

（1）

其中，與共計(jì)材料的塑性變形與流動相關(guān)，f和分別為刀具進(jìn)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(fù)的系數(shù)，主要取決于材料的性質(zhì)，也與刀具前角有關(guān)，為表示材料膨脹的系數(shù)，由刀尖圓弧半徑、切削刃半徑、進(jìn)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(jìn)給速度與工件表面粗糙度成正比，即進(jìn)給速度越大，粗糙度越大。產(chǎn)生這種情況的原因有兩個，第一個是進(jìn)給速度過大導(dǎo)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(jìn)給速度增大，導(dǎo)致刀具底部和工件材料之間的摩擦力增加，導(dǎo)致切削熱的急劇增加，工件材料產(chǎn)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?yàn)榍邢魅邪霃捷^大，切削過程中有部分材料未被切削，導(dǎo)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(dǎo)致切削力增大，切削熱增加，導(dǎo)致材料熱變形、振動等增加影響工件表面質(zhì)量。當(dāng)切削深度過小，刀具與工件材料只發(fā)生彈塑性變形而未形成切屑，材料發(fā)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(shè)計(jì)與驗(yàn)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(jī)床主軸停止旋轉(zhuǎn)，刀具和工件進(jìn)行直線運(yùn)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(jìn)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(shù)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(jī)理如圖3所示，因?yàn)楹喕癁槠矫嫔衔⒐蜗?，刀具進(jìn)給與工件步進(jìn)完成超精密車削加工，即刀具以切削深度（3μm）在給定的進(jìn)給（mm/min）下沿工件進(jìn)行步進(jìn)直線運(yùn)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(guān)，對其高度即材料表面殘留高度進(jìn)行求解得到：

（2）

式中：

f——刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)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(zhuǎn)進(jìn)給量f和刀尖圓弧半徑R有關(guān)，當(dāng)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(dāng)R不變時， h隨著進(jìn)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(zhuǎn)速和進(jìn)給速率的關(guān)系可由經(jīng)驗(yàn)公式（3）表示。

（3）

式中：

f—刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；

V是主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速不能過小，不然既影響加工效率也會使表面質(zhì)量變差。而主軸速度過大則會導(dǎo)致熱變形大和產(chǎn)生振動，找到最適宜的主軸轉(zhuǎn)速加工，以滿足高質(zhì)量、高形狀精度的要求。根據(jù)刀具參數(shù)和切削深度參數(shù)，根據(jù)計(jì)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(chǔ)上研究不同進(jìn)給速度對超精密車削的影響。

當(dāng)步進(jìn)和切削深度不變的情況下，不同進(jìn)給速度下的純銅工件表面測量結(jié)果如圖4所示。通過觀察二維形貌圖，發(fā)現(xiàn)從（a）-（d）表面形貌越來越好，（a）、（b）圖還會出現(xiàn)大面積的材料堆積的情況（紅色方框區(qū)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(xiàn)，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(zhuǎn)加工，平面上的進(jìn)給速度與加工時主軸轉(zhuǎn)速的相對應(yīng)，進(jìn)給速度小即輥筒加工主軸轉(zhuǎn)速較小時，切屑與被車削零件的分離速度小，導(dǎo)致切削層和工件層產(chǎn)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(dǎo)致加工過程的不穩(wěn)定性，切削力的不斷變化導(dǎo)致刀具工件之間存在相對振動影響表面質(zhì)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(zhì)量。當(dāng)進(jìn)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(jié)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(jìn)行了對照實(shí)驗(yàn)，通過測量發(fā)現(xiàn)實(shí)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(tài)無跳動，更加穩(wěn)定，粗糙度也越好。微結(jié)構(gòu)陣列超精密加工在汽車加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，微溝槽結(jié)構(gòu)在汽車零部件中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。未來，需要進(jìn)一步加強(qiáng)微溝槽陣列超精密加工技術(shù)的研究和創(chuàng)新，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：22C1108）。

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