SiO2气凝胶微圆柱精密车削工艺研究

陶洋， 刘世忠， 傅刚， 袁光辉， 高林， 张春雨

（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳 621900）

0 引言

SiO2气凝胶材料具有密度低、孔隙率高、疏水能力强、导热系数小、耐腐蚀、光学透过性好及声速性低等性能特点[1]，SiO2气凝胶可以作为光透保温材料、超轻声阻材料、聚变燃料吸附载体等广泛应用于太阳能环保、航空航天、核聚变等诸多领域[2]，如图1所示。SiO2气凝胶元件也被加工成各类复杂形状，其加工质量及精度直接影响其元件的使用性能，但SiO2气凝胶材料可加工性能差、加工难度大，制备方法受到限制，极大地限制了SiO2气凝胶材料在太阳能环保、航空航天、核聚变等诸多领域的应用。因此，针对SiO2气凝胶材料的特点，实现其高精度、低损伤的制备，对促进其在各行各业中的使用有着重要的意义。

图1 SiO2气凝胶应用领域[2]

现阶段SiO2气凝胶材料的加工方式主要以精密车削为主，然而SiO2气凝胶材料力学性能较差：仅42 MPa的弹性模量导致其脆性非常大，进行车、铣等加工过程中很容易发生表面破碎、撕裂等现象，表面质量会严重下降；SiO2气凝胶的抗拉强度较小，使其加工过程中受拉、挤压时会发生严重形变，甚至造成材料出现裂纹、发生断裂。综上所述，SiO2气凝胶在机械冷加工过程中如何调控制备方法、工艺，避免加工损伤，成为解决其制备难题的关键因素[3-5]。

本文为实现SiO2气凝胶微圆柱高质量的精密车削加工，针对SiO2气凝胶材料加工易损伤、表面质量差的问题，通过分析材料属性确定了车刀关键参数，通过单因素实验获得了关键加工参数对表面质量的影响规律，最后确定了SiO2气凝胶微圆柱最优的加工工艺方案。

1 车削实验方案设计

1.1 车刀的选择

本实验所加工的SiO2气凝胶微圆柱尺寸如下：长度为1 mm、直径为0.6 mm。由于加工尺寸较小，且材料偏软、强度很差（弹性模量仅为42 MPa[6-7]），如果加工时切削力过大，就很容易导致材料变形和表面破碎，严重影响表面加工质量。因此要求其车削刀具具有极锋利的切削刃、较低的摩擦因数、非常高的导热性和很低的热膨胀系数。由于尖刃单晶金刚石车刀相对于普通金刚石车刀具有更小的切削区域、更光滑的前刀面及更锋利的刀尖刃口，可以有效地降低切削力，因此适合SiO2气凝胶材料的精密车削，图2所示为本实验中所用的SiO2气凝胶毛坯材料，图3所示为本实验中选取的尖刃单晶金刚石车刀，刀尖角为60°。

图2 SiO2 气凝胶毛坯

图3 尖刃单晶金刚石车刀

1.2 车刀参数的确定

本实验对尖刃单晶金刚石车刀的前角、后角、主偏角、副偏角及刃倾角的选定进行了分析，具体如下：1）前角的选取。在车削过程中，SiO2气凝胶材料表面形变甚至断裂主要是切削力过大导致的，而文献表明选取正前角的刀具可以使切削力明显降低，经过实验验证前角控制在5°～8°时效果较好[8]。本实验刀具前角选定为5°。2）后角。车刀后角在车削过程中的作用主要是与前角形成刀具切削刃，改善工件加工过程中材料与工件间的摩擦状态；后角过大，则刀具锋利程度下降，摩擦力过大，后角过小则会严重影响刀具强度，因此选择合适的后角可以有效地提高表面加工质量。实验证明，后角在10°～20°范围内效果较好[9]。本实验后角选定为10°。3）主副偏角。对于刚度较差的SiO2气凝胶加工，车刀主偏角必须不小于90°，可以使刀具切削过程的背向力趋于最小值。副偏角主要影响切屑的有效排出，提供良好的散热条件，保证工件的切削质量，但副偏角过大也会直接影响刀尖强度和耐磨损性能[9]。由于实验中选取刀具尖角为60°，因此，本实验选取车刀主偏角为93°，副偏角为27°。4）车刀刃倾角。刃倾角是决定流屑方向的关键因素，基于金刚石刀具的晶向和刃磨性，这里刃倾角选择为0°。

1.3 实验方案

为了获得关键加工参数对SiO2气凝胶表面质量的影响规律，本实验基于选取的尖刃金刚石车刀对SiO2气凝胶进行多组单因素车削实验研究，单因素变量分别为：背吃刀量a、进给量f及主轴转速n。SiO2气凝胶的车削实验在精密三轴数控车床进行，采用光学显微镜对车削后的工件形貌进行表征，选择白光干涉仪对工件加工后表面质量进行检测。

根据实验结果确定SiO2气凝胶最优车削工艺，并对SiO2气凝胶微柱工件进行加工验证。

2 实验结果及讨论

2.1 单因素车削实验结果分析

选择切削用量以减小切削力、减少刀具对工件的影响，同时保证工件表面质量。单因素车削实验结果及分析如下。

1）背吃刀量a。

如图4所示，随着背吃刀量从2 μm增大到100 μm，表面粗糙度呈现先减小、后增大的趋势，其大小在260～520 nm之间，当背吃刀量为20 μm时获得最低的加工表面粗糙度为260 nm；当背吃刀量进一步增加，加工表面粗糙度值会急剧上升，加工表面将变得粗糙，粗糙度甚至达到520 nm。这是因为当背吃刀量过大时工件和材料之间接触区域较大，挤压情况增加，因此造成车削力和热累积严重增加，从而工件发生严重变形甚至开始产生微裂纹，且表面质量下降；然而当背吃刀量过小时，由于SiO2气凝胶材料的弹性作用，无法实现材料的最小切削塑性去除。因此，当背吃刀量为20 μm时，车削后的表面质量最佳。

图4 背吃刀量对工件表面粗糙度影响

2）进给量f。

如图5所示，随着进给量从1 μm/r增加到80 μm/r，车削后的表面粗糙度整体呈上升趋势。当进给量非常小的时候，表面粗糙度增加趋势较为平缓；当进给量增大到5 μm/r以上时，表面粗糙度与进给量之间呈现类似线性增长的关系。进给量表示刀具每转前进的距离，进给量增大会使切削厚度及切削力增大，随着切削力的增大，工件在加工过程中的变形和破碎引起表面质量的下降，因此，当进给量增加时，表面粗糙度也会随之增加。为了提升车削表面质量，需要降低车削进给量，同时进给量与加工效率有直接关系，当进给量小于5 μm/r时，继续减小进给量，表面质量提升不明显，因此，车削过程最佳进给量为5 μm/r。

图5 进给量对工件表面粗糙度影响

3）主轴转速n。

如图6所示，主轴转速为400～1200 r/min时，表面粗糙度随主轴转速的增大而降低，这是因为机床转速的提高可以提高工件与刀具间的相对速度，有效降低切削力。因此，工件受到切削作用产生的受力变形也会降低，避免了加工过程中因变形过大导致的断裂、破碎等问题，材料塑性去除效果更好，表面粗糙度也随之降低。当主轴转速为1200～2000 r/min时，表面粗糙度随主轴转速的增大而增大，这是由于SiO2气凝胶材料偏软且具有一定的弹性，当转速增加到一定程度时，材料在转动惯性的作用下会发生具有一定频率的弹性振动，并且过高的转速也会造成机床稳定性下降，都会大大降低整个车削过程的稳定性。因此，加工SiO2气凝胶时，机床转速应控制在一定范围内。当主轴转速为1200 r/min时具有最低的加工表面粗糙度。

图6 主轴转速对工件表面粗糙度影响

综合以上实验结果可以确定，最佳车削工艺参数为：背吃刀量为20 μm，进给量为5 μm/r，主轴转速为1200 r/min。

2.2 SiO2气凝胶微柱车削工艺验证

基于之前确定的SiO2气凝胶最佳工艺路线对SiO2气凝胶微柱进行车削实验，微柱尺寸为φ0.6 mm×1 mm，加工数量为10个。图7所示为加工完成后的SiO2气凝胶微柱，加工后的圆柱端面和柱面比较平整，表面无明显破碎缺陷。进一步对其圆柱直径尺寸及端面和柱面的表面粗糙度进行测量，检测结果如表1所示。图8所示为SiO2气凝胶微柱的尺寸误差分布，加工完成后10组SiO2气凝胶微圆柱样本的直径误差值小于13 μm，其加工误差波动很小，精度很高。这表明：采用尖刃金刚石车刀，在合理的工艺参数下，可以获得高精度的SiO2气凝胶零部件。

图7 车削后的SiO2气凝胶微柱

图8 SiO2 气凝胶微柱外形尺寸公差

表1 SiO2气凝胶微柱尺寸及粗糙度

由表1 中可见，车削后的端面粗糙度为154 ～184 nm，圆柱面的粗糙度为205～232 nm，圆柱面相对于端面具有更高的表面粗糙度。图9所示为典型的SiO2气凝胶加工后圆柱面和端面的表面粗糙度及表面三维轮廓形貌，与端面相比，圆柱面具有更加严重的车削振纹和凹坑，这是由于柱面在车刀加工的作用下更容易发生径向变形导致的，端面由于材料车削过程中轴向变形相对较小，在车削过程中稳定性更高，因此获得较高的表面质量。

图9 SiO2 气凝胶微柱表面粗糙度结果

3 结论

本文确定了加工SiO2气凝胶尖刃单晶金刚石车刀参数，研究了其精密车削工艺参数中背吃刀量a、进给量f、主轴转速n对SiO2气凝胶部件加工表面质量和加工精度的影响，并对车削参数进行了优化。结果表明，当背吃刀量为20 μm、进给量为5 μm/r、主轴转速为1200 r/min时，可以获得最低的表面粗糙度。基于优化后的工艺，对SiO2气凝胶微圆柱工件进行加工，尺寸误差在±13 μm以内，圆柱面粗糙度低于232 nm，端面粗糙度低于184 nm。