張旭濤，曹 強，石 金

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

太赫茲波處于101 1～101 3 Hz波段，介于微波和遠紅外之間，具有極高的研究和開發(fā)價值。太赫茲系統(tǒng)和器件具有高分辨率和輕小型化等優(yōu)點，已經(jīng)在天文探測、氣象遙感、深空探測、高分辨率成像和物質(zhì)分析等方面獲得大量應(yīng)用，并凸顯有優(yōu)勢[1]，由于波長短，光子能量低，該頻段的器件對加工精度有著嚴苛的要求。

太赫茲喇叭為其典型零件，內(nèi)腔為錐形波紋結(jié)構(gòu)，均布116處窄槽，寬度0.1±0.005 mm，中間隔片厚度0.1±0.005 mm，最大直徑φ3.52 mm，在前端最小直徑φ0.65 mm處分布最深環(huán)槽，單邊深度0.33 mm，同軸度0.02 mm，喇叭模型如圖1(a)所示，傳統(tǒng)的機械加工和電火花加工難以完成此產(chǎn)品的加工，只能采用電鑄的方法。

電鑄芯模為喇叭內(nèi)腔的倒模,材料為鋁合金2A12-T4，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。對此類微細窄槽均布結(jié)構(gòu)的零件，從裝夾方式、刀具、切削用量和走刀方式進行分析，通過試切和實際加工驗證分析結(jié)果，從而解決此類零件的加工難題，為后續(xù)太赫茲頻段載荷的研究提供基礎(chǔ)。

(a)太赫茲喇叭模型 (b)芯軸模型

1 難點分析

1)芯模為錐形結(jié)構(gòu)，前端剛性弱，容易產(chǎn)生顫振和變形，影響加工精度。車削窄槽時徑向受力，在零件高速旋轉(zhuǎn)時前端會出現(xiàn)擺動，影響同軸度，嚴重時會出現(xiàn)斷裂。

2)芯模外圓均布0.1 mm的窄槽，精度要求±0.005 mm，尺寸不容易控制。相鄰窄槽之間的隔片厚度0.1 mm，在加工中容易出現(xiàn)隔片側(cè)傾，影響窄槽精度。

2 工藝分析

2.1 裝夾方式

傳統(tǒng)車削錐形結(jié)構(gòu)的裝夾方式為：卡盤夾持，尾端用頂尖支撐(一夾一頂)。這種裝夾方式，頂尖有軸向推力，工件軸向被限制，因為擠壓的存在，加上車削窄槽時徑向受力，軸向容易出現(xiàn)彎曲變形(如圖2所示)，因此這種方式不適用此類產(chǎn)品加工[2-3]。

圖2 裝夾方式及力學(xué)模型

優(yōu)化裝夾方式：一端用卡盤夾持，另一端完成前端φ0.64 mm圓的粗、精加后，在車床尾座上夾持專用工裝作為扶料裝置，夾持前端外圓，工裝與零件之間控制較小的間隙，如圖3所示，保證其Z方向自由，使零件不受軸向擠壓力，同時限制X、Y方向自由度，避免前端由于自重和徑向切削力的作用產(chǎn)生彎曲變形，在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下引起擺動，從而影響同軸度。

圖3 裝夾方式

2.2 刀具設(shè)計

0.1 mm窄槽精度要求±0.005 mm，加工中受機床定位精度、切削變形及切削熱等因素影響，精度不易控制。為減少影響因素，在窄槽加工中選擇一次成形，用刀具尺寸保證窄槽寬度，避免二次加工時受機床Z軸重復(fù)定位精度的影響。

刀具材料選用硬質(zhì)合金，牌號GU25，YG類硬質(zhì)合金。刀具前角大小直接影響切削區(qū)的變形、切削力、溫度，功率消耗等。增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小，降低切削功率，降低溫度，減小切削熱。但是同時刀具強度相應(yīng)減弱，為保證刀頭有足夠的剛性，刀具前角不能過大，因此采用前角為4°的切槽刀[4]。

2.3 切削用量選擇

針對窄槽切削過程建立力學(xué)建模，進行切削仿真，優(yōu)化切削參數(shù)。在直角正交切削過程中，刀具和工件之間的相對運動是恒定的，假設(shè)工件的材料是均勻的，則在每一時刻，刀具切除材料的狀態(tài)是相同的。從主運動的方向來看，在平行于基面的平面上，被切除的工件材料截面是一個矩形，根據(jù)有限元的離散思想，可以把工件看成許多這樣的矩形截面片的疊加，也就相當(dāng)于把工件外表面的切削層展開。同樣的，在切削深度的方向上，只有一條切削刃參加切削，而且切削刃上的各個點都是等效的。因此可以把三維的六面體單元簡化為具有一個厚度參數(shù)的四邊形平面單元來處理，從而把比較復(fù)雜的三維問題轉(zhuǎn)化為比較簡單的二維平面問題(如圖4所示)。在這個二維問題中由于刀具的硬度比工件的硬度高許多，所以在建模時，將刀具看做剛體，這與實際切削過程是相符的。刀具材料的變形按彈性計算，而工件材料的變形按彈塑性計算。工件和刀具之間的運動是相對的，而刀具在這里被假設(shè)為剛體。由于沒有變形的影響，在場量的傳遞和轉(zhuǎn)換中，刀具計算起來比工件簡單的多。因此，在工件的下表面施加全約束，把工件的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刀具沿著主運動方向的直線運動[5-8]。

圖4 切削仿真建模

切削三要素中，窄槽加工中背吃刀量AP為槽刀寬度，本次仿真槽刀寬度保持不變，只分析進給和切削速度。進給量f表示切削層厚度，切削速度VC=πDS。在實際切削過程中工件材料常常處在高溫、大變形和大應(yīng)變率的情況下發(fā)生彈塑型應(yīng)變，因此綜合考慮各因素(應(yīng)變、應(yīng)變率、熱軟化)對工件材料硬化硬力的影響，應(yīng)用Jonson-Cook本構(gòu)模型能很好的描述此過程，其數(shù)學(xué)表達式為[9]：

(1)

刀具材料為硬質(zhì)合金，其熱力學(xué)性能如表1所列。

表1 硬質(zhì)合金熱力學(xué)性能

芯模材料為鋁合金2A12-T4，鋁合金Johnosn-Cook本構(gòu)模型參數(shù)如表2所列，熱力學(xué)性能如表3所列。

表2 鋁合金Johnosn-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

表3 鋁合金熱力學(xué)性能

采用控制變量法，分別仿真切削速度和進給量對切削力的影響。進給從0.02 mm/r到0.1 mm/r變化，切削速度從20～70 mm/s，得到如圖5所示曲線圖。

(a)切削力與切削速度關(guān)系

從圖5中可以看出切削速度對切削力影響較小，在保持進給不變時，隨著切削速度的增加，切削力隨之減小，在40 mm/s之后切削力減小趨勢明顯變緩。進給量對切削力影響較大，進給量增大會使切削層高度增加，切削力隨之增加，同時進給量減小隨之加工效率降低，因此在保證較小切削力的同時選擇高進給量。

在窄槽切削中，刀具和工件強度都比較弱，因此切削力盡可能小，由于窄槽加工切屑不易排出，散熱困難，因此轉(zhuǎn)速不易過高。采用切削速度Vc：40～60 mm/s，進給f：0.01～0.03 mm/r。

2.4 走刀方式

為保證加工前端時有足夠的剛性，減小變形對尺寸精度的影響，對走刀方式進行優(yōu)化。由于外形輪廓為不連續(xù)階臺，可采用分段式加工，在加工前端的窄槽時，后端提供足夠的剛性，支撐窄槽加工時的徑向受力，減小變形[10-13]。

針對窄槽加工設(shè)計以下3種走刀方式：

1)順序切槽。切削完成一個槽，順序切削第二個，每個槽分層加工，如圖6 (a)所示。此走刀方式避免了機床Z軸重復(fù)定位誤差對槽寬尺寸的影響。

2)間隔切槽。中間間隔一個槽切削，切削完成后再切削中間窄槽，每個槽分層加工，如圖6 (b)所示。此走刀方式主要考慮兩窄槽中間隔片太薄強度低，順序切槽時，窄槽一側(cè)隔片已成形，而另一側(cè)仍為實體毛坯，在切削過程中擠壓力會導(dǎo)致已成形一側(cè)傾斜，發(fā)生塑性變形影響加工精度。

3)徑向分層，順序切槽。窄槽直徑方向分層，順序切削完所有窄槽第一層，再切削第二層，如圖6 (c)所示。此走刀方式主要解決前兩種的不足，但是此方式在返回加工第二層切削時受機床Z向重復(fù)定位誤差影響，增加了窄槽寬度誤差。

(a)順序切槽 (b)間隔切槽 (c)徑向分層，順序切槽

經(jīng)分析，初步采用第一種方案順序切槽方式進行試切，減少機床精度對窄槽的影響。

3 加工驗證

3.1 切削試驗

在肖布林130數(shù)控車床上驗證切削仿真結(jié)論，并進行走刀方式試驗，選擇最優(yōu)走刀方式，該車床X軸重復(fù)定位精度為0.002 mm，Z軸重復(fù)定位精度為0.003 9 mm。首先測量切槽刀刀寬精度，實測尺寸為0.095 mm，滿足設(shè)計要求。在φ10棒料上試切窄槽，伸出30 mm，排除軸的弱剛性變形對窄槽精度影響。分別對深度0.35 mm、0.3 mm、0.25 mm、 0.2 mm、0.15 mm、0.1 mm窄槽進行分組試切，每組加工10處窄槽。

1)順序切槽。在影像儀上檢測發(fā)現(xiàn)，深度小于0.2 mm時，隔片高度低，強度較好，槽寬均在0.096～0.099 mm之間。當(dāng)槽深大于0.2 mm時隔片向已加工一側(cè)傾斜。

2)間隔切槽。檢測發(fā)現(xiàn)，槽深大于0.2 mm的試件，中間窄槽明顯變寬，與兩側(cè)窄槽相差0.008 mm。

3)徑向分層，順序切槽。窄槽直徑方向分層，順序切削完所有窄槽第一層，再切削第二層。檢測后，中間隔片無明顯傾斜，各槽尺寸均勻，均在0.096～0.103 mm之間，滿足設(shè)計要求。切削參數(shù)為f=0.01 mm/r、V=50 mm/s，仿真分析可靠，樣件如圖7所示。與順序切槽加工深度小于0.2 mm的結(jié)果相比較，尺寸明顯偏大，此切削方試，在返回加工第二層時引入了機床Z向重復(fù)定位誤差，增大了窄槽寬度。

圖7 試驗件

3.2 芯模加工

根據(jù)電鑄芯模結(jié)構(gòu)，毛坯采用φ16 mm棒料，將芯模按窄槽數(shù)量分為29組，分別加工。分段粗、精車外圓到尺寸后，按徑向分層，順序切槽，樣件如圖8(a)所示。加工10組零件，檢驗重復(fù)加工的一致性。在線檢測同軸度，用百分表檢測零點頭部和尾部同軸度，如圖8(b)，同軸度為0.016，滿足設(shè)計要求。用影像儀測量窄槽尺寸如圖8(c)所示，116處窄槽尺寸均在0.095～0.103 mm之間波動，滿足設(shè)計要求。

(a)芯模樣件

此工藝方案可滿足槽寬0.1 mm，公差帶大于0.008 mm，單邊深度小于等于0.33 mm的類似微細窄槽結(jié)構(gòu)加工。

4 結(jié)論

文章以太赫茲喇叭芯模為研究對象，針對此類微細窄槽結(jié)構(gòu)的加工問題進行分析，并進行實際加工驗證和結(jié)果分析，解決了此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的加工問題。

通過對裝夾方式走刀路徑分析，采用分段式車削加工方式，在加工前端時零件末端留有大量殘余毛坯，提供足夠的強度，保證整個加工系統(tǒng)有夠的剛性，用一夾一扶的裝夾方式，保證切削尾端時前端不出現(xiàn)擺動，解決弱剛性和擺動引起的同軸度超差問題。

通過對窄槽切削過程進行仿真，對窄槽加工路徑進行優(yōu)化并進行實際加工驗證，得出微細窄槽加工方法：采用成型刀具。當(dāng)窄槽深度度小于0.2 mm時，順序切槽，避免機床重復(fù)定位誤差對窄槽寬度的影響；當(dāng)窄槽深度大于0.2 mm時，采用徑向分層，順序切槽，此方法應(yīng)計算機床Z軸的重復(fù)定位誤差對槽寬的影響。