CN114535670B

CN114535670B - 一种弱刚度易氧化微小t型零件的高表面质量加工方法

Info

Publication number: CN114535670B
Application number: CN202210274619.6A
Authority: CN
Inventors: 张海军; 张春雨; 刘世忠; 高林; 李国�; 吴立强; 崔志鹏
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2042-03-21
Also published as: CN114535670A

Abstract

本发明公开了一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，涉及机械加工技术领域，包括如下步骤：步骤一、T型零件毛坯件的制备，步骤二、T型零件毛坯件的粗加工，步骤三、T型零件精加工，步骤四、T型零件线切割切断，步骤五、T型零件脱胶处理；本发明的步骤三中通过在T型零件精加工过程中采用紫外固化胶实现了对T型零件已加工轮廓的包裹增厚及防氧化处理，解决微小尺寸T型零件目前加工过程中存在的弱刚度振动变形及表面氧化问题，提高该零件加工后的表面质量（Ra＜20 nm）和使用性能。

Description

一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，更具体的是涉及一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法的技术领域。

背景技术

随着激光驱动惯性约束核聚变(ICF)物理实验的不断进展，激光聚变靶作为物理实验研究中重要的物质基础，其加工质量的好坏直接影响物理实验结果的准确性。微小尺寸T型零件是ICF物理实验迫切需求的一种靶用关键零件，惯性约束核聚变精密物理实验对其加工后的表面质量提出了极高的需求，要求其表面粗糙度Ra优于20 nm，表面近无加工缺陷等。

微小尺寸T型零件的结构如图1所示，空间尺寸＜2 mm×2 mm×2 mm，包括长圆柱、短圆柱、圆柱交叉过度圆弧、长圆柱上端面、长圆柱下端面和短圆柱端面，其常用的材料为易腐蚀的纯铝或纯铜。由于该零件属于非回转对称结构，目前只能采用超精密铣削对其进行加工，这种加工方式加工后的表面缺陷严重并且表面粗糙度Ra值仅能达到60 nm左右水平（微小尺寸T型零件常规铣削工艺加工后表面典型缺陷及粗糙度如图2所示），无法满足惯性约束核聚变精密物理实验中的较高指标要求（Ra＜20 nm）。现有加工方式加工后表面粗糙度较差的主要原因如下：

1）、T型零件尺寸比较小，且圆柱为细长杆结构，材料选择纯铜或纯铝属于软质金属，该零件属于典型的弱刚性零件，在精加工时铣刀在零件表面进行切削过程中极易引起零件的变形振动，最终在工件表面留下明显的振纹，严重影响零件表面粗糙度。

2）、零件采用超精密铣削加工周期比较长，铣削形成的表面长时间暴露在空气中很容易发生氧化，也会对表面质量及后续的使用性能造成影响。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决微小尺寸T型零件目前的加工过程中存在的弱刚度振动变形及表面氧化的技术问题，本发明提供一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，实现微小尺寸T性零件表面粗糙度优于20 nm，表面近无加工缺陷的超精密加工。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，包括如下步骤：

步骤一、T型零件毛坯件的制备：

准备纯铝或纯铜的圆柱材料作为T型零件加工所用毛坯材料，将毛坯材料安装到机床上进行切削加工，制备得到毛坯件；毛坯件包括前端的T型零件待加工区域和后端的夹持端，T型零件待加工区域和夹持端之间的连接部分设置为圆锥过渡，毛坯件的形状如图4所示；

步骤二、T型零件毛坯件的粗加工：

将步骤一得到的T型零件毛坯件夹紧在3R夹具上，将3R夹具固定在工件轴的3R底座上；采用超精密五轴机床进行铣削加工，加工刀具为天然单晶微径金刚石球头铣刀；

根据T型零件的尺寸以及铣刀球头半径编制相应的加工程序，选择层铣的方式进行粗加工，工艺参数为：铣轴转速n=10000 r/min，切削深度ap=20 μm，走刀速度f=5 mm/min，进给速度50 μm/r；

采用刀尖偏置方法进行铣削加工，满足铣刀中心轴高于工件中心轴平面20 μm-100 μm，避免铣刀尖线速度为0处参与铣削加工；利用离线刀具轨迹仿真软件检验程序的正确性，将检验无误后的加工程序导入机床，并执行程序开始加工直到层铣余量为3-5 μm时粗加工完毕，加工后的零件如图5所示；

步骤三、T型零件精加工：

将步骤二粗加工后的T型零件毛坯件进行超精密铣削加工，超精密铣削加工过程如图6所示，在超精密铣削过程中，在超精密机床铣削轴所在的导轨上方安装紫外固化胶容器及紫外光源（波长小于490 nm），使加工过程中紫外固化胶容器和光源随机床的铣削轴同时运动；

以长圆柱下端面（靠近毛坯件根部位置一侧）作为Z方向编程0点进行铣削程序编写；当加工开始后程序中Z坐标已经走到150 μm-200 μm时，打开紫外固化胶容器下方的流出阀门，使紫外固化胶能够均匀的流出并覆盖到已加工T型零件的根部，并同时打开紫外光源对液态紫外固化胶进行固化处理，由于紫外固化胶固化时间短，随着工件在加工过程中的自转，紫外固化胶会逐渐在已加工零件表面形成一个包裹层，当包裹层厚度接近零件根部圆锥台端部直径＞2 mm时，关闭紫外固化胶容器下方的流出阀门，紫外光源继续保持照射一分钟后关闭；

随着加工过程的继续进行，当加工程序中沿Z方向每前进150 μm-200 μm时，重复上述步骤，保证已加工零件表面均被紫外固化胶包裹，直至铣削加工过程结束；

步骤四、T型零件线切割切断：

将步骤三铣削好的带有包裹层的T型零件连同夹具一起装夹在丝线切割机床的3R底座上，在T型零件与圆锥过渡交接处对T型零件进行线切割切断处理，切断后即可获得带有紫外固化胶包裹层的T型零件；

步骤五、T型零件脱胶处理：

将T型零件放入纯丙酮中浸泡，浸泡时间＞6小时，当零件表面的包裹层溶解于丙酮溶液后，将T型零件从中取出并放入装有新的干净丙酮的烧杯中，采用超声波清洗对T型零件表面残留的部分紫外胶进行清洗，清洗时间20 min~30 min，取出后即可获得最终的T型零件。

进一步地，步骤一中，所述毛坯材料的长度为21.5 mm，其中夹持端为直径6 mm、长15 mm的圆柱，T型零件待加工区域为直径2.2 mm、长2 mm的圆柱；

机床为通用精密数控机床，刀具为硬质合金刀具，加工过程中冷却润滑为水冷方式，工艺参数为：工件转速为1500 rpm，进给速度为f=40 mm/min，切削深度为ap=50 μm。

进一步地，步骤二中，刀具球头半径R=0.03 mm~0.1 mm，刃口半径<50 nm，切削刃垂直长度＞0.6 mm，前角=0°，后角≥3°。

进一步地，步骤二中，在显微镜下对刀具球头半径进行检测，记录刀具球头半径的实测值，将刀具在高速铣轴上安装牢固并设定好刀具半径实测值及刀补编号，冷却润滑方式为油雾冷却；

利用超精密五轴机床上的显微对刀系统找到刀具高度和中心位置并存入刀库，采用试切法精确调整刀具中心位置，刀尖高度与工件中心上下偏差不大于2 µm。

进一步地，步骤三中，所述紫外固化胶容器中装有呈粘稠液体状的紫外固化胶，紫外固化胶容器下方有方便紫外固化胶流出的阀门管路，阀门管路上设置有阀门开关，所述阀门管路的直径为100 μm~150 μm，紫外固化胶容器的中心线与铣刀中轴线Z方向相对距离为100 μm~150 μm，紫外固化胶容器靠近毛坯件的根部位置。

进一步地，步骤三中，铣轴转速n=26000 rpm/min，切削深度ap=3~5 μm，走刀速度f=0.5 mm/min，进给速度5 μm/r，确认无误后开始执行程序，采用刀尖偏置方法进行铣削加工，满足铣刀中心轴高于工件中心轴平面20 μm~100 μm。

进一步地，步骤四中，电极丝选用直径0.03 mm的钨丝，电极丝运动速度选择1~20m/min。

工作原理：

在T型零件精加工过程中采用紫外固化胶实现了对T型零件已加工轮廓的包裹增厚及防氧化处理。T型零件的精加工过程是决定零件表面加工质量的阶段，在T型零件的精加工阶段，为了解决T型零件弱刚度及易氧化对表面粗糙度的影响，采用紫外固化胶对的零件铣削成型后部位立即进行包裹保护，由于液态光敏树脂固化时间短（＜30 s）、延展性良好，随着工件轴的转动在零件外轮廓表面逐渐形成一层厚的固化包裹层，固化胶层的高度沿着铣刀和零件的相对运动方向进行增加，可以实时的增加加工位置根部的零件直径尺寸。

本发明的有益效果如下：

1、本发明建立一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，通过在T型零件精加工过程中采用紫外固化胶实现了对T型零件已加工轮廓的包裹增厚及防氧化处理，解决微小尺寸T型零件目前加工过程中存在的弱刚度振动变形及表面氧化问题，提高该零件加工后的表面质量（Ra＜20 nm）和使用性能，该发明可以提高激光聚变物理实验用靶零件的制造水平，促进激光聚变物理实验的发展，同时也可应用于同类型弱刚度易氧化复杂结构微小零件的超精密加工。

2、紫外固化胶具有很高的强度和硬度，可以有效避免零件弱刚性发生的振动变形效应，新生成的加工表面也可以及时的被固化胶层包裹起来避免表面活性金属长时间暴露在空气中发生氧化，因此同时解决了原有超精密铣削过程中零件弱刚性振动变形及表面易氧化问题，大大的提高了零件加工后的表面粗糙度及后续使用性能。零件在加工后表面的固化胶层可以作为零件保护层随零件一起存放，可以在零件运输传递和储藏过程中对零件表面起到保护作用，待零件使用前进行紫外胶脱胶处理即可。

附图说明

图1是T型零件三维图及两视图；

图2是T型零件常规铣削后表面典型缺陷图；

图3是T型零件常规铣削后表面粗糙度图

图4是车削后毛坯T型零件示意图；

图5是粗加工后的T型零件示意图；

图6是T型零件精加工工艺过程示意图；

图7是本发明的加工方法制备的T型零件表面形貌图；

图8是本发明的加工方法制备的T型零件粗糙度效果图;

附图标记：1-长圆柱、2-短圆柱、3-圆柱交叉过度圆弧、4-长圆柱上端面、5-长圆柱下端面、6-短圆柱端面、7-T型零件待加工部位、8-圆锥过渡、9-夹持端、10-粗加工后的余量厚度、11-紫外固化胶容器、12-紫外光源、13-阀门管路、14-阀门开关、15-紫外固化胶、16-包裹层、17-铣刀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，包括如下步骤：

步骤一、T型零件毛坯件的制备：

如图4所示，准备纯铝或纯铜的圆柱材料作为T型零件加工所用毛坯材料，将毛坯材料安装到机床上进行切削加工，制备得到毛坯件；毛坯件包括前端的T型零件待加工区域7和后端的夹持端9，T型零件待加工区域7和夹持端9之间的连接部分设置为圆锥过渡8；

毛坯加工阶段目标是去除大余量材料，材料为纯铝或纯铝（铝或铜含量>99.99%），毛坯材料整体长度为21.5 mm，毛坯后端的夹持端9为直径6 mm、长15 mm的圆柱，毛坯前端的T型零件待加工部位7为直径2.2 mm、长2 mm的圆柱，圆锥过渡8可以保证毛坯加工时的稳定性；

使用的机床为通用精密数控机床，刀具为硬质合金刀具，冷却润滑条件为水冷方式，工艺参数选择为：工件转速1500 rpm，进给速度f=40 mm/min，切削深度ap=50 μm；

步骤二、T型零件毛坯件的粗加工：

将步骤一得到的T型零件毛坯件夹紧在3R夹具上，将3R夹具固定在工件轴的3R底座上；采用超精密五轴机床进行铣削加工，加工刀具为天然单晶微径金刚石球头铣刀（刀具球头半径R=0.03 mm~0.1 mm，刃口半径<50 nm，切削刃垂直长度＞0.6 mm，前角=0°，后角≥3°）；

在显微镜下对刀具球头半径进行检测，记录刀具球头半径的实测值，将微径球头铣刀在高速铣轴上安装牢固并设定好刀具半径实测值及刀补编号，冷却润滑方式为油雾冷却，在超精密五轴机床上利用车床上的显微对刀系统找到刀具高度和中心位置并存入刀库，采用试切法精确调整刀具中心位置，刀尖高度与工件中心上下偏差不大于2 µm。

根据T型零件的尺寸以及铣刀球头半径编制相应的加工程序，选择层铣的方式进行粗加工，工艺参数为：铣轴转速n=10000 r/min，切削深度ap=20 μm，走刀速度f=5 mm/min，进给速度50 μm/r，采用刀尖偏置方法进行铣削加工，满足铣刀中心轴高于工件中心轴平面20 μm~100 μm，避免铣刀尖线速度为0处参与铣削加工，利用离线刀具轨迹仿真软件检验程序的正确性，将检验无误后的加工程序导入机床，并执行程序开始加工直到层铣余量厚度为3-5 μm时粗加工完毕，加工后的零件如图4所示；

图5中，标记10为T型零件的毛坯件粗加工后的余量厚度为3-5 μm的T型零件部位。

步骤三、T型零件精加工：

将粗加工后的余量厚度为3-5 μm的T型零件部位10进行超精密铣削加工，超精密铣削加工过程如图6所示，在超精密铣削过程中，在超精密机床铣削轴所在的导轨上方安装紫外固化胶容器11及紫外光源12（波长小于490 nm），使加工过程中紫外固化胶容器11和紫外光源12随机床的铣刀17同时运动，紫外固化胶容器11中装有粘稠液体状的紫外固化胶15，紫外固化胶容器11下方有胶体阀门管路13和阀门开关14，阀门管路13直径100 μm~150μm，紫外固化胶容器11的中心线与铣刀17中轴线Z方向相对距离为100 μm~150 μm，更靠近毛坯件的根部位置。

以T型零件长圆柱下端面（靠近毛坯件根部位置一侧）作为Z方向编程0点进行铣削程序编写，其中铣轴转速n=26000 rpm/min，切削深度ap=3-5 μm，走刀速度f=0.5 mm/min，进给速度5 μm/r，确认无误后开始执行程序，采用刀尖偏置方法进行铣削加工，满足铣刀中心轴高于工件中心轴平面20 μm-100 μm；

当加工开始后程序中Z坐标已经走到150 μm~200 μm时，打开紫外固化胶容器11下方的流出阀门开关14，使紫外固化胶15能够均匀的流出并覆盖到已加工T型零件的根部，并同时打开紫外光源12对液态紫外固化胶15进行固化处理，由于紫外固化胶固化时间短，随着工件在加工过程中的自转，紫外固化胶会逐渐在已加工零件表面形成一个包裹层16，当包裹层16厚度接近零件根部圆锥台端部直径（＞2 mm）时，关闭紫外固化胶容器下方的流出阀门开关14，紫外光源12继续保持照射一分钟后关闭；

随着加工过程的继续进行，当加工程序中沿Z方向每前进150 μm~200 μm时，重复上述步骤，保证已加工零件表面均被包裹层16包裹，直至铣削加工过程结束：

步骤四、T型零件线切割切断：

丝线切割机床的电极丝选用直径0.03 mm的钨丝，电极丝运动速度选择1-20 m/min，切断后即可获得带有紫外固化胶包裹层的T型零件；

步骤五、T型零件脱胶处理：

在T型零件进行使用前，将T型零件放入纯丙酮中浸泡，浸泡时间＞6小时，当零件表面的包裹层溶解于丙酮溶液后，将T型零件从中取出并放入装有新的干净丙酮的烧杯中，采用超声波清洗对T型零件表面残留的部分紫外胶进行清洗，清洗时间20 min-30 min，取出后即可获得最终的T型零件。

本实例中，本实施例公开的方法加工得到的T型零件表面形貌及粗糙度效果图（如图7、图8所示），相比于常规铣削工艺加工到的T型零件表面形貌及粗糙度效果图（如图2、图3所示），可以看到本实施例的加工方法获得的T型零件表面的振动纹路和表面氧化现象大大的降低了，加工后的表面粗糙度Ra值为16 nm，满足ICF物理实验Ra值＜20 nm的表面质量要求。

Claims

1.一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、T型零件毛坯件的制备：

准备纯铝或纯铜的圆柱材料作为T型零件加工所用毛坯材料，将毛坯材料安装到机床上进行切削加工，制备得到毛坯件；毛坯件包括前端的T型零件待加工区域和后端的夹持端，T型零件待加工区域和夹持端之间的连接部分设置为圆锥过渡；

步骤二、T型零件毛坯件的粗加工：

采用刀尖偏置方法进行铣削加工，满足铣刀中心轴高于工件中心轴平面20 μm-100 μm，避免铣刀尖线速度为0处参与铣削加工；利用离线刀具轨迹仿真软件检验程序的正确性，将检验无误后的加工程序导入机床，并执行程序开始加工直到层铣余量为3-5 μm时粗加工完毕；

步骤三、T型零件精加工：

将步骤二粗加工后的T型零件毛坯件进行超精密铣削加工，在超精密铣削过程中，在超精密机床铣削轴所在的导轨上方安装紫外固化胶容器及紫外光源，使加工过程中紫外固化胶容器和光源随机床的铣削轴同时运动；

以长圆柱下端面作为Z方向编程0点进行铣削程序编写；当加工开始后程序中Z坐标已经走到150 μm-200 μm时，打开紫外固化胶容器下方的流出阀门，使紫外固化胶能够均匀的流出并覆盖到已加工T型零件的根部，并同时打开紫外光源对液态紫外固化胶进行固化处理，由于紫外固化胶固化时间短，随着工件在加工过程中的自转，紫外固化胶会逐渐在已加工零件表面形成一个包裹层，当包裹层厚度接近零件根部圆锥台端部直径＞2 mm时，关闭紫外固化胶容器下方的流出阀门，紫外光源继续保持照射一分钟后关闭；

步骤四、T型零件线切割切断：

步骤五、T型零件脱胶处理：

2.根据权利要求1所述的一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，步骤一中，所述毛坯材料的长度为21.5 mm，其中夹持端为直径6 mm、长15 mm的圆柱，T型零件待加工区域为直径2.2 mm、长2 mm的圆柱；

3.根据权利要求1所述的一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，步骤二中，刀具球头半径R=0.03 mm~0.1 mm，刃口半径<50 nm，切削刃垂直长度＞0.6 mm，前角=0°，后角≥3°。

4.根据权利要求1所述的一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，步骤二中，在显微镜下对刀具球头半径进行检测，记录刀具球头半径的实测值，将刀具在高速铣轴上安装牢固并设定好刀具半径实测值及刀补编号，冷却润滑方式为油雾冷却；

5.根据权利要求1所述的一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，步骤三中，所述紫外固化胶容器中装有呈粘稠液体状的紫外固化胶，紫外固化胶容器下方有方便紫外固化胶流出的阀门管路，阀门管路上设置有阀门开关，所述阀门管路的直径为100 μm~150 μm，紫外固化胶容器的中心线与铣刀中轴线Z方向相对距离为100 μm~150 μm，紫外固化胶容器靠近毛坯件的根部位置。

6.根据权利要求1所述的一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，步骤三中，铣轴转速n=26000 rpm/min，切削深度ap=3~5 μm，走刀速度f=0.5 mm/min，进给速度5 μm/r，确认无误后开始执行程序，采用刀尖偏置方法进行铣削加工，满足铣刀中心轴高于工件中心轴平面20 μm~100 μm。

7.根据权利要求1所述的一种弱刚度易氧化微小T型零件的高表面质量加工方法，其特征在于，步骤四中，电极丝选用直径0.03 mm的钨丝，电极丝运动速度选择1~20 m/min。