鋁合金手機外殼超精密鏡面加工工藝的實驗研究

關佳亮 張孝輝 馬新強 王志偉 朱莉莉

(北京工業大學機電學院，北京 100124)

鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。隨著近年來科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金的需求日益增多，要求鋁合金在超精密鏡面加工方面的研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金的各種加工技術(車削、銑削，磨削，研磨等)不斷發展，同時各種技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域。本文采用機械研拋技術，實現對鋁合金手機外殼的超精密鏡面加工，獲得了鋁合金手機外殼表面粗糙度Ra為0.026 μm 的加工表面。

1 研拋的基本原理

機械研拋是在一定的壓力和轉速條件下，通過研拋盤和被加工工件之間添加研拋液，依靠微細磨粒的機械作用，對被加工工件表面進行微量去除，來實現對工件表面的超精密鏡面加工要求。

本實驗采用精密超精密鏡面研拋技術對鋁合金手機殼進行超精密鏡面加工。研拋原理如圖1 所示，在加工初期，被加工件材料以研磨去除形式為主，磨粒以滑動和滾動的方式對工件表面進行犁耕和刮檫去除;同時在適當的壓力作用下，磨粒發生破碎、磨鈍的磨粒數量增多，尺寸變小，棱角變鈍，切削作用逐漸減弱，此時在加工過程中磨粒主要以摩擦的方式對工件表面進行拋光去除，使加工面粗糙度值充分減小。在此基礎上，研拋液中的添加劑在被加工表面形成一層附著膜，隨著工件表面平整化的進一步提高，磨粒尺寸的進一步減小和均勻化，磨粒與附著膜融為一體，形成平整性、柔韌性和均勻性都很好的拋光膜對表面進行柔性拋光去除，隨著新表面和新附著膜的交替生成和去除，被加工表面質量也越來越好，從而達到較小的表面粗糙度值。

圖1 研拋加工示意圖

2 研拋條件及工藝參數

本實驗采用機械研拋技術對鋁合金手機外殼進行超精密鏡面加工試驗。鋁合金手機外殼的化學成分、力學性能和實驗條件如表1 所示，工藝參數如表2 所示。

表1 鋁合金手機外殼的化學成分、力學性能和實驗條件

表2 研拋的工藝參數

3 實驗效果及分析

在以上條件下，結合鋁合金的化學成分及力學性能進行分析。采用控制變量法，通過分別改變壓力大小、研拋液磨粒大小，研拋墊的粗細度、研拋液的種類等參數對鋁合金手機外殼進行機械研拋實驗并進行優化組合，獲得表面粗糙度Ra為0.026 μm 的加工表面。研拋效果和粗糙度測量結果分別如圖2、圖3所示。

圖2 研拋效果

圖3 粗糙度效果

4 研拋參數對加工表面粗糙度的影響規律

4.1 研拋壓力對加工表面粗糙度的影響規律

保持其他因素不變，改變研拋壓力大小，對加工表面有顯著的影響。在一定范圍內，研拋壓力越大工件的加工效率越高，但粗糙度隨之也不斷變大。當壓力大于6 kPa 時，磨料破碎嚴重，同時研拋液被擠出，甩向四周，導致工件與研磨基盤之間的研拋液不充分，使研拋不均勻，容易在加工表面出現麻點或凹坑，加工出來的工件表面質量不高。

當壓力小于2 kPa 時，磨粒不容易破損，難以在加工表面產生刮痕，對待加工表面材料的切除很慢，導致研拋效率很低。

因此，在保證其他因素不變的條件下，控制研拋壓力在2～6 kPa 之間可以讓工件和研拋基盤之間有充盈的研拋液，磨粒被壓碎變細，露出新的表面和銳角，對待加工表面進行良好的切削碾壓，從而形成良好的加工表面。

4.2 拋光墊對加工表面粗糙度的影響規律

拋光墊是機械研拋加工中重要的組成部分，拋光墊必須具有良好的耐腐蝕性、親水性以及機械力學特性。拋光墊的硬度和表面粗糙度對加工表面的精度和去除率有直接的影響。

當拋光墊(棉布、細毛氈)表面粗糙度值較大時，拋光墊與待加工表面之間的空隙大，接觸面積小，使拋光墊與工件之間可以存儲充足的拋光液，工件的待加工表面能夠充分地與拋光液接觸。單個磨粒上的作用力增大，去除率高，有利于提高加工效率。同時表面粗糙，待加工表面去除的殘留物質停留在拋光墊里面不能及時排出，對已加工表面產生劃傷。

當拋光墊(皮革)粗糙度值極小時，拋光液充盈不夠，加工效率降低。但是可以把加工產生的殘留物質及時排除，不容易產生刮傷。

本實驗采用絲綢作為拋光墊時，獲得了較好的表面質量，粗糙度Ra可達0.026 μm。

4.3 研拋液對加工表面粗糙度的影響

從圖4 可以看出，研拋液Ⅱ的研拋效率要比研拋液Ⅰ低一些，但是，可以達到更小的表面粗糙度值。這主要是由于兩種研拋液磨粒大小不同的緣故。在其他研拋參數一定的條件下，磨粒粒度越小，單位面積上單個磨粒的作用力也越小，對工件表面材料的去除量也相應的減少，加工效率降低;但是，隨著研拋的進行，研拋液Ⅱ中可以形成更多、更細的磨粒，使加工過程中有更多的磨粒參與，可以獲得更高的表面質量和較小的粗糙度值。

圖4 研拋液Ⅰ和研拋液Ⅱ的效果比較

4.4 工件表面形態分析

圖5 和圖6 是鋁合金手機外殼在機械研拋加工下的工件表面形貌SEM 圖。加工后的工件表面紋路工整清晰，沒有大塊的刮傷、凹坑。但是，從下面兩圖可以看出粒度為W1 的金剛石研拋液加工后的工件表面刮痕要比W0.5 的多。其主要原因是工件在研拋時，使用的磨料磨粒粒度越小，在加工過程越會形成更多、更細的磨粒，從而使單位面積上與工件加工表面接觸的磨粒越多，研拋后留下的劃痕越微弱?？梢?，W0.5粒度的磨料加工后的表面質量較好。

圖5 研拋液Ⅰ加工后表面形貌

圖6 研拋液Ⅱ加工后表面形貌

5 結語

在采用機械研拋技術對鋁合金手機外殼的加工過程中，對其研拋效果和加工效率進行分析得到以下結論:

(1)鋁合金手機外殼經過機械研拋加工之后，獲得了表面粗糙度為0.026 μm 的加工表面。

(2)在機械研拋過程中，研拋壓力、拋光墊的不同對加工表面的粗糙度有明顯的影響，把研拋壓力控制在2～4 kPa 范圍內，選用絲綢作為拋光墊，對鋁合金手機外殼進行加工時，獲得表面粗糙度Ra為0.026 μm 的加工表面。

(3)研拋液的不同對材料的加工精度有明顯的影響，本實驗采用研拋液Ⅰ(W1 粒度金剛石1∶2 倍煤油+少量動物油和植物油)和研拋液Ⅱ(W0.5 粒度金剛石1∶1 倍煤油+潤滑油脂和植物油)對鋁合金手機外殼進行研拋實驗，獲得了表面粗糙度Ra分別為0.034 μm 和0.026 μm 的加工表面。表明減小磨粒粒度可以提高工件表面質量。

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