文摘：在3 C产品中，对精密的铝合金外壳的切削加工具有较高的表面质量，而表面粗糙度是其重要的量化指标。利用 PCD铣刀对3 C产品铝合金外壳进行精密装饰，通过对刀具刃口质量、几何参数及切削参数的优化，特别是对刃口质量的严格控制，可以获得高表面质量的3 C产品铝合金外壳。

　　1概述

　　计算机（Computer）、通信（Communication）和消费电子产品（Consumer Electronics）被统称为3 C产品，如手机、笔记本电脑、照相机、MP3、MP4等。3 C是伴随着第三次科学技术革命而产生的一种新的消费形态，它的出现为人类的生活带来了方便，娱乐，舒适，并且3 C的技术在不断地进步，3 C的种类也在不断地增加，功能也在逐步地变得多元化，3 C的数量也在迅速地增加。珠三角是3 C产品生产的重要区域，同时也是苹果、三星等国际知名品牌的生产基地，从而形成了较大的上游工业与辅助工业的发展规模。

　　在高端3 C产品中，普遍使用的是以铝合金材料为主的金属外壳，其 A级外观面（客户能看到的产品的外表面）在经过切削加工后，还需要进行阳极化、拉丝、喷漆、电镀、沙化等精饰处理。抛光前的表面质量对抛光效果有很大的影响，经过阳极处理后，抛光后表面的色差、刀纹等缺陷会更加明显。

　　在精饰之前，对铝合金的切削表面质量有很高的要求，概括起来就是高光洁、无刀纹、无刀痕、无色差（包括彩虹纹、白斑、阳极氧化膜异色），一些产品（例如iphone5s和 ipadmini2）的高光边甚至要求切削加工直接能达到镜面效果（量化参考标准表面粗糙度 Ra≧0.15μ m，大致与旧标准▽10相同）。在图1中可以看到iphone5s的高亮边缘。诸如彩虹纹，刀痕，刀痕之类的瑕疵显示在图2中。

　　表面光滑是一种视觉上的表现，而真实的铝合金外壳被加工表面的细微结构即为表面粗糙度，而高的被加工表面粗糙度即为低的被加工表面。刀纹和刀痕直接影响到工件表面的粗糙度，基于不同级别工件表面的外形特征，确定了难以分辨的切削痕迹 Ra≤0.2微米。前期研究发现，虽然色差并非与加工表面粗糙度直接相关，但加工表面硬化颗粒的非均匀分布、尺寸大小及方向不一致等因素与色差密切相关，且这种非均匀硬化颗粒的非均匀分布及加工残余应力的非均匀分布，将导致加工表面粗糙度降低。刀片的刃磨质量不佳，或者已经被磨坏的刀片，将直接在工件上形成光点、光点，增加了工件表面的粗糙度。所以，对精饰面的切削加工质量进行定量评价是以较低的表面粗糙度为主要指标。

　　2.所面临的问题及对策

　　当前，对铝合金进行切削加工的方法有两种：一种是对结构件进行常规加工，不需要进行表面精细修饰，例如：航空结构件，汽车发动机箱体等；另一种方法是直接进行切削抛光处理，如在个别仪器或机器上做标记或做圆角处理。第一种类型的切削加工，以高效、高尺寸精度为主要目的，在航空结构件中，多使用硬质合金铣削刀具，而在汽车发动机中，多使用 PCD刀具，多用于铣削、孔加工；后一种类型的切削加工，以提高表面的光亮度为目的，一般采用天然单晶金刚石刀具，对铝制铭牌的凸起进行飞刀铣削，对旋钮的倒角进行车削。

　　但是，在实际应用中，以上两种工具均不能满足铝合金表面抛光的需要，前者的表面抛光质量不能达到要求；后者的加工性能与所用工具的结构型式不相符。但即使这样，报废率还是很高，一些加工过的手机外壳的产品合格率仅为40%。为此，对原有类型的刀具进行优化设计，对其进行加工工艺优化，已成为一种可行的选择。

　　已有研究表明，切削过程中的理论粗糙度是由切削过程中的残余区域决定的，而残余区域又与刀具几何参数（副偏角、刀尖圆弧等）和切削参数（进给率等）密切相关。然而，真实的粗糙度与加工过程密切相关，在加工过程中不仅存在着塑性变形和摩擦等伴随现象，还存在着积屑瘤和加工振动等诱导现象，从而导致加工表面粗糙度的产生。另外，刀锋（或后刀面）存在残余区域，以及刀锋（或后刀面）的粗糙度也会反映到已加工表面，这些在常规加工或脆性材料时并不明显，而对塑性材料的精确切削则是制约其精度提升的重要因素。切削时的塑性变形，摩擦，振动，结块等均与切削参数，刀具几何参数，刃口质量等密切相关。

　　切削工具的材质也会影响到切削工具的表面质量。当前，用于铝合金加工的工具材料包括硬质合金、人工多晶钻石（PCD）、天然单晶钻石等。与前两种材料相比，硬质合金具有较低的摩擦系数、热导率和硬度。由于天然单晶金刚石刀具成本较高（约为人工多晶金刚石刀具的10倍），且工艺性能较差，目前主要用于车刀、刀盘、飞刀等，不能用于3 C类产品的铝合金表面铣削，故 PCD是较为理想的刀具材料。

　　在此基础上，探索出适合于铝合金精密装饰的工具与方法。

　　3.1测试条款

　　所测试的工具是由英国德贝尔斯公司生产，表面经过抛光的002系列 PCD刀片，并与刀身进行了焊接，其参数如表1所示；本发明是在瑞士产Rs15型高精密刀具磨机上，使用特殊的钻石砂轮对刀具进行刃磨。用德国生产的 Zoller PomEdgeCheck刀检仪对刀具的刃口半径和凹陷进行观察，用美国生产的 MicroXAM型白光干涉轮廓计（由 Apple公司规定）对表面粗糙度进行检测。相关的切削实验是在日本FANUCalpha-T14iFb立式铣床上进行的，其主轴的转速最大可达24000转/分。该试件的材料是2A12硬质铝合金，试件的形状是长方形试件（50毫米×40毫米×30毫米）。

　　3.2刀刃品质（刀刃的微细组织参数）

　　在切削过程中，刀具的主后刀面、副后刀面和前刀面分别与工件的切削表面、已加工表面和切屑发生接触，主后刀面和副后刀面越粗糙，切削刃刃口圆弧部分表面粗糙度也较大，切削时刀具与切削表面和切屑的摩擦也越严重，这对切屑的去除产生影响，增大切削力，增大工件切削表面和已加工表面的塑性变形，从而对已加工表面质量产生影响。在此过程中，由于被加工材料的回弹作用，使工具的辅助后刀面与被加工表面局部接触，也就是辅助后刀面面向回弹的回弹作用。所以，刀刃和前后刀面的质量直接影响到被加工工件的平整度。

　　刀刃的品质是以刀刃的完整性，平滑度，均匀度，锋利度来衡量的。整体性是指在切削边缘有没有断边，掉块等瑕疵。平滑与整体性相辅相成，刀口有崩边，而太小的刀口必须全部移除；裂口宽的要将裂口周围磨平。均匀度意味着在刀刃上所有地方的刀刃形状都是一致的。锋利度是指所能达到的最小刀刃半径，切削有色金属和其他塑料制品时，刀刃应尽可能地锋利，不能作反倒棱或倒角的强化。崩口是影响刀刃整体光滑度与完整性的重要因素，目前常用的方法是通过刃口钝化来减小崩口深度与消除锐边，然而，过量钝化不仅会使刀刃的锋锐度与均匀度下降，而且还会使刀刃的弧度增大，从而对工件表面质量产生不利影响。

　　在生产中，当崩口深度大于3微米时，极易产生与进给方向平行的横向裂纹，为此，本项目拟将铣刀周刃（含成型刃）的崩口深度控制在3微米以下，并将非刀尖圆弧段的崩口深度放宽到4-5微米以下。为了避免过钝，使刀具变得不够锋利，并对已加工表面的粗糙度产生影响。

　　本项目拟采用实验方法，以磨削过程中的磨削表面粗糙度与磨削边缘钝化半径为切入点，探索磨削过程与磨削表面质量之间的内在联系。

　　从理论上来说，刀刃的钝度应该是最小的，但如果刀刃太过锋利，不仅会导致刀刃断裂，而且还会影响到热量的释放，从而影响到工件的表面质量。另外，由于 PCD的脆性，在加工过程中会产生大量的碎裂。刀刃的钝化可以有效地提高刀刃的平整度，从而有效地降低了刀刃的崩裂和工件的表面粗糙度。

　　3.3.几何参数

　　刀片前端角度是刀具的一个关键几何参数，其大小关系到刀片的锋锐度与强度，并对刀片的耐用性与被加工表面的粗糙度有很大的影响。图5为与机加工表面平整度有关的工具前角度的影响曲线。

　　研究发现，刀具前角越大，刀具刃口越锋利，一方面，刀具变形量越小，切削温度越低，刀具凸起、磷刺等缺陷的形成也越少；另一方面，随着切削力的降低，切削变轻，系统的振动也随之降低，因此，切削面的 Ra也随之降低。但 PCD是一种极硬的工具，其切削时极易出现微观崩裂。

　　前角由-5°到0°的范围内变化时，刀楔角较大，刀刃的强度及抗冲击性充足，不容易出现微崩刃，因此，在此范围内，工件的表面粗糙度随前角的增大降低的速率较快。当前角在0°到10°之间改变时，刀楔角度会降低。在切削过程中，由于刀刃的强度和抗冲击性不够，很容易出现微崩刃，并且随着前角的增大，微崩刃的程度也会随之增大。而刀刃的微崩刃会使得工件的表面粗糙度增加，因此，当前角在0°到10°之间改变时，工件的表面粗糙度随着前角的增大而降低的趋势变得缓慢。铝合金是一种塑性材料，在进行加工的时候，当切屑呈带状沿着前刀面流出时，和前刀面接触的长度比较长，所以产生的摩擦比较大，为了减少变形和摩擦，最好选择一个正的前角。

　　实验证明，在同样的刀刃质量下，后斜角的尺寸不会对已被加工出的零件表面光洁度产生显著的影响。在刃口质量非常好的情况下，因为精加工的吃刀深度很小，工件的弹性恢复层非常薄，后刀面与弹性恢复层的接触长度不会因为后角的变化而有显著的变化，所以，后刀面与弹性恢复层的接触长度不会因为后角的尺寸变化而有显著的变化。但是，后角与钝圆半径以及刀具耐用度之间存在着一定的关系。后角过大，虽然刀具锋利，但并不持久，钝圆半径很快就会因为磨损而变大；过小，会导致钝圆半径初始值大，加工表面粗糙度降低。太大的圆弧会使切削变得不锐利，同时还会使工件产生振动，从而使被切削的表面变得更粗糙。

　　3.4切削量

　　切削速率对金刚石端铣刀表面粗糙度的影响

　　在图8中可以看到，从该图中可以看到，当切削速度增大时，表面粗糙度减小。在切削速度不超过180米/分钟的情况下，切削速度越快，表面粗糙度下降越明显；在切削速率超过180米/分时，加工表面的平整度几乎没有提高，或者提高的幅度很小。所以，对于铝合金的铣削，其切削速度应该大于180米/分钟。

　　可以看到，轴向切削深度与表面粗糙度之间的关系，可以看到，切削深度越大，表面粗糙度越大，但是其变化趋势越大。从曲线图可以看出，当切削深度为0。1~0。5 mm时，加工的表面光洁度基本保持不变；在0。1 mm以下的条件下，随着切削深度的减小，表面的平整度显著下降；当切削深度超过0。5毫米时，加工面的平整度提高非常迅速。所以，当工件的轴向切削深度为0.1毫米至0.5毫米时，就可以同时满足工件的表面质量与加工效率。

　　随着单齿进给速率的提高，工件的表面粗糙度逐渐提高，但提高的速度比轴向切削深的速度快。这一点与目前已有的研究结果稍有不同，经过分析，可能是因为试验所选的进给量范围较小，当进给量在较大范围内变化时，对表面粗糙度的影响才会明显。该实验以精切削为主，进给速率不能太大，适当增加进给速率并不能明显增加被加工表面的平整度。

　　在表示了干式和湿式两种切削条件对被加工的工件表面粗糙度的影响，从图11中可以看到，使用湿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。湿法切削可以降低切削温度，改善切削性能，延长切削寿命，同时还可以作为55级的润滑剂，使得切屑不容易粘在刀刃上，可以有效地抑制积屑瘤的形成。在铝合金切削过程中，由于易发生断屑，易导致切屑附着于工件而影响其表面完整性。

　　4结论.

　　在此基础上，进行了 PCD铣刀刃口质量、几何参数及切削工艺参数等对铝合金加工表面光洁度的影响实验，并在实际生产中进行了验证。

　　1) PCD铣刀能够满足3 C类产品铝壳精密装饰面的切削需求，但在刀刃质量（如崩口、钝圆半径、后刀面粗糙度等）、刀刃几何参数及切削参数方面，需要对刀刃质量进行优化，特别是对刀刃质量进行严格的控制

　　2)刀刃钝角半径、后刀面粗糙度与已加工表面粗糙度均呈接近直线的正向相关性，减小钝角半径、减小后刀面粗糙度均能有效地减少已加工表面粗糙度。

　　加工表面粗糙度 Ra≤0.15μ m，采用钝圆半径 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°之间，切削刃后角的降低速度越快；前角从0°到10°，随着前角的增加，表面粗糙度降低的幅度逐渐减小；后角对机加工后的平整度影响不大；加工的表面粗糙度随刀尖圆弧半径的增大而降低，当刀尖圆弧半径 ro≤0.5 mm时，随着 ro的增加而迅速降低，当 ro>0.5 mm时，这种降低的趋势逐渐减缓。

　　4)切削速度越高，表面粗糙度下降越多，超过180米/分以后，表面粗糙度无改善，或者改善不显著；表面粗糙度随切削深度的增大而增大，但增大的幅度随切削深度的增大而增大；随着单齿进给速率的提高，工件的表面粗糙度逐渐提高，但提高的速度比轴向切削深的速度要慢；结果表明，用湿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。