文摘：在3 C產(chǎn)品中，對(duì)精密的鋁合金外殼的切削加工具有較高的表面質(zhì)量，而表面粗糙度是其重要的量化指標(biāo)。利用 PCD銑刀對(duì)3 C產(chǎn)品鋁合金外殼進(jìn)行精密裝飾，通過對(duì)刀具刃口質(zhì)量、幾何參數(shù)及切削參數(shù)的優(yōu)化，特別是對(duì)刃口質(zhì)量的嚴(yán)格控制，可以獲得高表面質(zhì)量的3 C產(chǎn)品鋁合金外殼。

　　1概述

　　計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communication）和消費(fèi)電子產(chǎn)品（Consumer Electronics）被統(tǒng)稱為3 C產(chǎn)品，如手機(jī)、筆記本電腦、照相機(jī)、MP3、MP4等。3 C是伴隨著第三次科學(xué)技術(shù)革命而產(chǎn)生的一種新的消費(fèi)形態(tài)，它的出現(xiàn)為人類的生活帶來了方便，娛樂，舒適，并且3 C的技術(shù)在不斷地進(jìn)步，3 C的種類也在不斷地增加，功能也在逐步地變得多元化，3 C的數(shù)量也在迅速地增加。珠三角是3 C產(chǎn)品生產(chǎn)的重要區(qū)域，同時(shí)也是蘋果、三星等國(guó)際知名品牌的生產(chǎn)基地，從而形成了較大的上游工業(yè)與輔助工業(yè)的發(fā)展規(guī)模。

　　在高端3 C產(chǎn)品中，普遍使用的是以鋁合金材料為主的金屬外殼，其 A級(jí)外觀面（客戶能看到的產(chǎn)品的外表面）在經(jīng)過切削加工后，還需要進(jìn)行陽(yáng)極化、拉絲、噴漆、電鍍、沙化等精飾處理。拋光前的表面質(zhì)量對(duì)拋光效果有很大的影響，經(jīng)過陽(yáng)極處理后，拋光后表面的色差、刀紋等缺陷會(huì)更加明顯。

　　在精飾之前，對(duì)鋁合金的切削表面質(zhì)量有很高的要求，概括起來就是高光潔、無刀紋、無刀痕、無色差（包括彩虹紋、白斑、陽(yáng)極氧化膜異色），一些產(chǎn)品（例如iphone5s和 ipadmini2）的高光邊甚至要求切削加工直接能達(dá)到鏡面效果（量化參考標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度 Ra≧0.15μ m，大致與舊標(biāo)準(zhǔn)▽10相同）。在圖1中可以看到iphone5s的高亮邊緣。諸如彩虹紋，刀痕，刀痕之類的瑕疵顯示在圖2中。

　　表面光滑是一種視覺上的表現(xiàn)，而真實(shí)的鋁合金外殼被加工表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)即為表面粗糙度，而高的被加工表面粗糙度即為低的被加工表面。刀紋和刀痕直接影響到工件表面的粗糙度，基于不同級(jí)別工件表面的外形特征，確定了難以分辨的切削痕跡 Ra≤0.2微米。前期研究發(fā)現(xiàn)，雖然色差并非與加工表面粗糙度直接相關(guān)，但加工表面硬化顆粒的非均勻分布、尺寸大小及方向不一致等因素與色差密切相關(guān)，且這種非均勻硬化顆粒的非均勻分布及加工殘余應(yīng)力的非均勻分布，將導(dǎo)致加工表面粗糙度降低。刀片的刃磨質(zhì)量不佳，或者已經(jīng)被磨壞的刀片，將直接在工件上形成光點(diǎn)、光點(diǎn)，增加了工件表面的粗糙度。所以，對(duì)精飾面的切削加工質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)是以較低的表面粗糙度為主要指標(biāo)。

　　2.所面臨的問題及對(duì)策

　　當(dāng)前，對(duì)鋁合金進(jìn)行切削加工的方法有兩種：一種是對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行常規(guī)加工，不需要進(jìn)行表面精細(xì)修飾，例如：航空結(jié)構(gòu)件，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體等；另一種方法是直接進(jìn)行切削拋光處理，如在個(gè)別儀器或機(jī)器上做標(biāo)記或做圓角處理。第一種類型的切削加工，以高效、高尺寸精度為主要目的，在航空結(jié)構(gòu)件中，多使用硬質(zhì)合金銑削刀具，而在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，多使用 PCD刀具，多用于銑削、孔加工；后一種類型的切削加工，以提高表面的光亮度為目的，一般采用天然單晶金剛石刀具，對(duì)鋁制銘牌的凸起進(jìn)行飛刀銑削，對(duì)旋鈕的倒角進(jìn)行車削。

　　但是，在實(shí)際應(yīng)用中，以上兩種工具均不能滿足鋁合金表面拋光的需要，前者的表面拋光質(zhì)量不能達(dá)到要求；后者的加工性能與所用工具的結(jié)構(gòu)型式不相符。但即使這樣，報(bào)廢率還是很高，一些加工過的手機(jī)外殼的產(chǎn)品合格率僅為40%。為此，對(duì)原有類型的刀具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行加工工藝優(yōu)化，已成為一種可行的選擇。

　　已有研究表明，切削過程中的理論粗糙度是由切削過程中的殘余區(qū)域決定的，而殘余區(qū)域又與刀具幾何參數(shù)（副偏角、刀尖圓弧等）和切削參數(shù)（進(jìn)給率等）密切相關(guān)。然而，真實(shí)的粗糙度與加工過程密切相關(guān)，在加工過程中不僅存在著塑性變形和摩擦等伴隨現(xiàn)象，還存在著積屑瘤和加工振動(dòng)等誘導(dǎo)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致加工表面粗糙度的產(chǎn)生。另外，刀鋒（或后刀面）存在殘余區(qū)域，以及刀鋒（或后刀面）的粗糙度也會(huì)反映到已加工表面，這些在常規(guī)加工或脆性材料時(shí)并不明顯，而對(duì)塑性材料的精確切削則是制約其精度提升的重要因素。切削時(shí)的塑性變形，摩擦，振動(dòng)，結(jié)塊等均與切削參數(shù)，刀具幾何參數(shù)，刃口質(zhì)量等密切相關(guān)。

　　切削工具的材質(zhì)也會(huì)影響到切削工具的表面質(zhì)量。當(dāng)前，用于鋁合金加工的工具材料包括硬質(zhì)合金、人工多晶鉆石（PCD）、天然單晶鉆石等。與前兩種材料相比，硬質(zhì)合金具有較低的摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率和硬度。由于天然單晶金剛石刀具成本較高（約為人工多晶金剛石刀具的10倍），且工藝性能較差，目前主要用于車刀、刀盤、飛刀等，不能用于3 C類產(chǎn)品的鋁合金表面銑削，故 PCD是較為理想的刀具材料。

　　在此基礎(chǔ)上，探索出適合于鋁合金精密裝飾的工具與方法。

　　3.1測(cè)試條款

　　所測(cè)試的工具是由英國(guó)德貝爾斯公司生產(chǎn)，表面經(jīng)過拋光的002系列 PCD刀片，并與刀身進(jìn)行了焊接，其參數(shù)如表1所示；本發(fā)明是在瑞士產(chǎn)Rs15型高精密刀具磨機(jī)上，使用特殊的鉆石砂輪對(duì)刀具進(jìn)行刃磨。用德國(guó)生產(chǎn)的 Zoller PomEdgeCheck刀檢儀對(duì)刀具的刃口半徑和凹陷進(jìn)行觀察，用美國(guó)生產(chǎn)的 MicroXAM型白光干涉輪廓計(jì)（由 Apple公司規(guī)定）對(duì)表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)。相關(guān)的切削實(shí)驗(yàn)是在日本FANUCalpha-T14iFb立式銑床上進(jìn)行的，其主軸的轉(zhuǎn)速最大可達(dá)24000轉(zhuǎn)/分。該試件的材料是2A12硬質(zhì)鋁合金，試件的形狀是長(zhǎng)方形試件（50毫米×40毫米×30毫米）。

　　3.2刀刃品質(zhì)（刀刃的微細(xì)組織參數(shù)）

　　在切削過程中，刀具的主后刀面、副后刀面和前刀面分別與工件的切削表面、已加工表面和切屑發(fā)生接觸，主后刀面和副后刀面越粗糙，切削刃刃口圓弧部分表面粗糙度也較大，切削時(shí)刀具與切削表面和切屑的摩擦也越嚴(yán)重，這對(duì)切屑的去除產(chǎn)生影響，增大切削力，增大工件切削表面和已加工表面的塑性變形，從而對(duì)已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。在此過程中，由于被加工材料的回彈作用，使工具的輔助后刀面與被加工表面局部接觸，也就是輔助后刀面面向回彈的回彈作用。所以，刀刃和前后刀面的質(zhì)量直接影響到被加工工件的平整度。

　　刀刃的品質(zhì)是以刀刃的完整性，平滑度，均勻度，鋒利度來衡量的。整體性是指在切削邊緣有沒有斷邊，掉塊等瑕疵。平滑與整體性相輔相成，刀口有崩邊，而太小的刀口必須全部移除；裂口寬的要將裂口周圍磨平。均勻度意味著在刀刃上所有地方的刀刃形狀都是一致的。鋒利度是指所能達(dá)到的最小刀刃半徑，切削有色金屬和其他塑料制品時(shí)，刀刃應(yīng)盡可能地鋒利，不能作反倒棱或倒角的強(qiáng)化。崩口是影響刀刃整體光滑度與完整性的重要因素，目前常用的方法是通過刃口鈍化來減小崩口深度與消除銳邊，然而，過量鈍化不僅會(huì)使刀刃的鋒銳度與均勻度下降，而且還會(huì)使刀刃的弧度增大，從而對(duì)工件表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

　　在生產(chǎn)中，當(dāng)崩口深度大于3微米時(shí)，極易產(chǎn)生與進(jìn)給方向平行的橫向裂紋，為此，本項(xiàng)目擬將銑刀周刃（含成型刃）的崩口深度控制在3微米以下，并將非刀尖圓弧段的崩口深度放寬到4-5微米以下。為了避免過鈍，使刀具變得不夠鋒利，并對(duì)已加工表面的粗糙度產(chǎn)生影響。

　　本項(xiàng)目擬采用實(shí)驗(yàn)方法，以磨削過程中的磨削表面粗糙度與磨削邊緣鈍化半徑為切入點(diǎn)，探索磨削過程與磨削表面質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系。

　　從理論上來說，刀刃的鈍度應(yīng)該是最小的，但如果刀刃太過鋒利，不僅會(huì)導(dǎo)致刀刃斷裂，而且還會(huì)影響到熱量的釋放，從而影響到工件的表面質(zhì)量。另外，由于 PCD的脆性，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的碎裂。刀刃的鈍化可以有效地提高刀刃的平整度，從而有效地降低了刀刃的崩裂和工件的表面粗糙度。

　　3.3.幾何參數(shù)

　　刀片前端角度是刀具的一個(gè)關(guān)鍵幾何參數(shù)，其大小關(guān)系到刀片的鋒銳度與強(qiáng)度，并對(duì)刀片的耐用性與被加工表面的粗糙度有很大的影響。圖5為與機(jī)加工表面平整度有關(guān)的工具前角度的影響曲線。

　　研究發(fā)現(xiàn)，刀具前角越大，刀具刃口越鋒利，一方面，刀具變形量越小，切削溫度越低，刀具凸起、磷刺等缺陷的形成也越少；另一方面，隨著切削力的降低，切削變輕，系統(tǒng)的振動(dòng)也隨之降低，因此，切削面的 Ra也隨之降低。但 PCD是一種極硬的工具，其切削時(shí)極易出現(xiàn)微觀崩裂。

　　前角由-5°到0°的范圍內(nèi)變化時(shí)，刀楔角較大，刀刃的強(qiáng)度及抗沖擊性充足，不容易出現(xiàn)微崩刃，因此，在此范圍內(nèi)，工件的表面粗糙度隨前角的增大降低的速率較快。當(dāng)前角在0°到10°之間改變時(shí)，刀楔角度會(huì)降低。在切削過程中，由于刀刃的強(qiáng)度和抗沖擊性不夠，很容易出現(xiàn)微崩刃，并且隨著前角的增大，微崩刃的程度也會(huì)隨之增大。而刀刃的微崩刃會(huì)使得工件的表面粗糙度增加，因此，當(dāng)前角在0°到10°之間改變時(shí)，工件的表面粗糙度隨著前角的增大而降低的趨勢(shì)變得緩慢。鋁合金是一種塑性材料，在進(jìn)行加工的時(shí)候，當(dāng)切屑呈帶狀沿著前刀面流出時(shí)，和前刀面接觸的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，所以產(chǎn)生的摩擦比較大，為了減少變形和摩擦，最好選擇一個(gè)正的前角。

　　實(shí)驗(yàn)證明，在同樣的刀刃質(zhì)量下，后斜角的尺寸不會(huì)對(duì)已被加工出的零件表面光潔度產(chǎn)生顯著的影響。在刃口質(zhì)量非常好的情況下，因?yàn)榫庸さ某缘渡疃群苄?，工件的彈性恢?fù)層非常薄，后刀面與彈性恢復(fù)層的接觸長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)楹蠼堑淖兓酗@著的變化，所以，后刀面與彈性恢復(fù)層的接觸長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)楹蠼堑某叽缱兓酗@著的變化。但是，后角與鈍圓半徑以及刀具耐用度之間存在著一定的關(guān)系。后角過大，雖然刀具鋒利，但并不持久，鈍圓半徑很快就會(huì)因?yàn)槟p而變大；過小，會(huì)導(dǎo)致鈍圓半徑初始值大，加工表面粗糙度降低。太大的圓弧會(huì)使切削變得不銳利，同時(shí)還會(huì)使工件產(chǎn)生振動(dòng)，從而使被切削的表面變得更粗糙。

　　3.4切削量

　　切削速率對(duì)金剛石端銑刀表面粗糙度的影響

　　在圖8中可以看到，從該圖中可以看到，當(dāng)切削速度增大時(shí)，表面粗糙度減小。在切削速度不超過180米/分鐘的情況下，切削速度越快，表面粗糙度下降越明顯；在切削速率超過180米/分時(shí)，加工表面的平整度幾乎沒有提高，或者提高的幅度很小。所以，對(duì)于鋁合金的銑削，其切削速度應(yīng)該大于180米/分鐘。

　　可以看到，軸向切削深度與表面粗糙度之間的關(guān)系，可以看到，切削深度越大，表面粗糙度越大，但是其變化趨勢(shì)越大。從曲線圖可以看出，當(dāng)切削深度為0。1~0。5 mm時(shí)，加工的表面光潔度基本保持不變；在0。1 mm以下的條件下，隨著切削深度的減小，表面的平整度顯著下降；當(dāng)切削深度超過0。5毫米時(shí)，加工面的平整度提高非常迅速。所以，當(dāng)工件的軸向切削深度為0.1毫米至0.5毫米時(shí)，就可以同時(shí)滿足工件的表面質(zhì)量與加工效率。

　　隨著單齒進(jìn)給速率的提高，工件的表面粗糙度逐漸提高，但提高的速度比軸向切削深的速度快。這一點(diǎn)與目前已有的研究結(jié)果稍有不同，經(jīng)過分析，可能是因?yàn)樵囼?yàn)所選的進(jìn)給量范圍較小，當(dāng)進(jìn)給量在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)表面粗糙度的影響才會(huì)明顯。該實(shí)驗(yàn)以精切削為主，進(jìn)給速率不能太大，適當(dāng)增加進(jìn)給速率并不能明顯增加被加工表面的平整度。

　　在表示了干式和濕式兩種切削條件對(duì)被加工的工件表面粗糙度的影響，從圖11中可以看到，使用濕式切削得到的工件表面粗糙度小于使用干式切削得到的工件表面粗糙度。濕法切削可以降低切削溫度，改善切削性能，延長(zhǎng)切削壽命，同時(shí)還可以作為55級(jí)的潤(rùn)滑劑，使得切屑不容易粘在刀刃上，可以有效地抑制積屑瘤的形成。在鋁合金切削過程中，由于易發(fā)生斷屑，易導(dǎo)致切屑附著于工件而影響其表面完整性。

　　4結(jié)論.

　　在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了 PCD銑刀刃口質(zhì)量、幾何參數(shù)及切削工藝參數(shù)等對(duì)鋁合金加工表面光潔度的影響實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　1) PCD銑刀能夠滿足3 C類產(chǎn)品鋁殼精密裝飾面的切削需求，但在刀刃質(zhì)量（如崩口、鈍圓半徑、后刀面粗糙度等）、刀刃幾何參數(shù)及切削參數(shù)方面，需要對(duì)刀刃質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，特別是對(duì)刀刃質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制

　　2)刀刃鈍角半徑、后刀面粗糙度與已加工表面粗糙度均呈接近直線的正向相關(guān)性，減小鈍角半徑、減小后刀面粗糙度均能有效地減少已加工表面粗糙度。

　　加工表面粗糙度 Ra≤0.15μ m，采用鈍圓半徑 rn≤5μ m，后刀面粗糙度 Rz≤0.6μ m。

　　3)切削刃前角越大，切削刃后的表面粗糙度越小，切削刃前角值在-5~0°之間，切削刃后角的降低速度越快；前角從0°到10°，隨著前角的增加，表面粗糙度降低的幅度逐漸減?。缓蠼菍?duì)機(jī)加工后的平整度影響不大；加工的表面粗糙度隨刀尖圓弧半徑的增大而降低，當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑 ro≤0.5 mm時(shí)，隨著 ro的增加而迅速降低，當(dāng) ro>0.5 mm時(shí)，這種降低的趨勢(shì)逐漸減緩。

　　4)切削速度越高，表面粗糙度下降越多，超過180米/分以后，表面粗糙度無改善，或者改善不顯著；表面粗糙度隨切削深度的增大而增大，但增大的幅度隨切削深度的增大而增大；隨著單齒進(jìn)給速率的提高，工件的表面粗糙度逐漸提高，但提高的速度比軸向切削深的速度要慢；結(jié)果表明，用濕法切削得到的工件表面粗糙度小于用干法切削得到的工件表面粗糙度。