基金项目:国家自然科学基金(51675453); 深圳市科技计划项目(JCYJ20160517103720819)
通信作者:wangzhenzhong@xmu.edu.cn
(厦门大学航空航天学院,福建 厦门 361102)
(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361102,China)
material removal characteristic; conformal coefficient; 3D printing microstructure; magnetic polishing; precision machining; process parameter
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201803043
对微结构精密加工时需要能够控制高低不平的材料去除,以保证不破坏原有微结构的三维形貌特征.通过自行搭建的实验平台对3D打印出来的微结构工件进行抛光实验,主要研究了机床主轴转速、加工间隙、抛光时间和抛光路径等工艺参数对微结构抛光后的三维轮廓材料去除特性以及微结构的保形情况.实验结果表明:微结构保形系数随着抛光时间增加而变小,而主轴转速和加工间隙的变化对保形系数影响较小; 采用等高线移动式抛光的保形系数比采用水平移动式大; 相同工艺参数抛光对包体状和截面为半圆的圆环圆周阵列微结构工件保形效果较好,对正三棱锥工件保形效果较差.
In the precision processing of microstructures,the uneven material removal must be skillfully controlled such that the original three-dimensional morphology of the microstructure is not destroyed.The test platform for 3D printed microstructure work-piece polishing is established.Effects of spindle speed,machining gap,polishing time and polishing path on microstructure conformal polishing and three-dimensional profile removal characteristics are primarily studied.Experimental results show that the conformal coefficient decreases with the increase of polishing time,while the change of spindle speed and machining gap exerts little effect on the conformal coefficient.The method of contour line moving polishing exhibits greater conformal coefficients than the horizontal moving counterpart does.The conformal effect is better for the microstructure work linear array with hemispheroid and circular array with rings,the section of which is semicircle,but not for triangular pyramid workpiece.
微结构表面特有的形状特征使其具有了一些特定的物理、化学等功能,并广泛应用于各个领域[1].传统的微结构加工方法如微机电系统(MEMS)技术[2]、特种加工技术[3]、复制技术等存在材料使用受限大或生产周期长的问题,且加工成本都相对较高,而3D打印成型技术加工微结构具有生产周期短、加工方便、制造成本低等优势.为了保证微结构的表面功能,对微结构进行后续的精密加工处理时,要求不仅能够改善微结构表面质量而且不破坏微结构原来的三维特征.现有的抛光技术如数控小磨头抛光[4],由于抛光工具表面无法与微结构工件表面完全吻合而一定程度上影响了抛光工件的表面质量.离子束抛光[5]设备由于关键部件的技术复杂度和集成度高,使其造价昂贵,不利于普及应用.
磁场辅助抛光作为一种新型的超精密抛光技术近年来备受重视.由于其抛光工具为柔性的磁性抛光体,能够与各种曲面工件高度贴合,因而能够实现对复杂曲面、微小结构等[6-9]难以加工的工件表面进行抛光; 而且抛光压力小,不会产生表面损伤,也不会破坏工件表面结构,因此适用于对微结构进行精密加工处理.磁场辅助抛光方式主要有磁流体(magnetic fluid,MF)抛光技术[10]、磁流变(magnetorheological fluid,MRF)抛光技术[11-12]和磁性复合流体(magnetic compound fluid,MCF)抛光技术[13-15].MF抛光技术具有磨料分布性好的特点,但是磁化强度低、抛光效率低,因此没有得到广泛应用; MRF抛光技术的磁场作用力大,但是磨料分布性不均匀,而且对抛光设备要求高; MCF抛光技术则是结合了前两者的优势同时具备较大的磁化强度和较好的磨料分散性,具有良好的抛光性能,而且对设备要求简单,加工成本适宜.因此,本研究在MCF抛光技术[16]的研究基础上,利用羰基铁粉、磁流变液、氧化铈抛光粉及α-纤维素等几种材料自行配制了磁性抛光体,并用其对3D打印微结构工件进行抛光实验.本研究主要分析了主轴转速、加工间隙、抛光时间等不同工艺参数对3D打印微结构抛光后的材料去除特性以及微结构的保形情况.
本研究中MCF抛光实验所使用的实验装置是4轴数控铣床,如图1(a)所示.该机床的主轴箱由立柱和横梁合成一体,分别由两个独立的滚珠丝杆和直线导轨支撑,能够实现上下和左右的移动,同时有单独的伺服电机驱动主轴旋转,整机由北京KND2000M4系统控制,能够实现四轴联动功能.实验采用的抛光工具如图1(b)所示,由11部分组成:偏心块、滚动轴承、轴套、垫圈、卡环、M8螺栓、磁铁端盖、永磁体、磁铁容器、M3螺栓、M3螺母.偏心块长杆部分通过刀柄与机床主轴连接,本研究采用牌号为N38的Nd-Fe-B 圆柱状永磁体(直径Φ 20 mm,厚度20 mm,剩磁感应强度1 210 mT,最大磁能积310 kJ/m3)用以吸附配制好的磁性抛光体.磁性抛光体由羰基铁粉、磁流变液、氧化铈抛光粉及α-纤维素按质量比62:28:7:3混合搅拌配制而成.抛光过程中,微结构工件装夹在数控抛光机床的工作台上,定量的抛光体吸附在装有永磁体的抛光工具下面,由机床主轴以转速n带动产生旋转运动,抛光工具下压使柔性的抛光体与工件接触,这样抛光体便与工件表面接触且相对运动,进而对工件表面产生切削作用,实现抛光.
为重点研究MCF抛光技术对3D微结构的抛光效果,本研究采用光敏树脂材料3D打印出来的微结构工件作为抛光对象,其具有黏度低、硬度低、韧性好的特点,非常适合用于柔性抛光研究; 而刚性抛光则容易破坏这种工件表面的三维微结构.3D打印微结构工件包含包体状微结构线性阵列工件、正三棱锥微结构线性阵列工件和半圆截面的圆环(简称半圆环)圆周阵列工件.包体状线性阵列工件每个包状体直径1.5 mm,高0.5 mm,相邻包状体间距2.5 mm,如图2(a)所示; 正三棱锥线性阵列工件每个正三棱锥底面边长1.5 mm,高0.5 mm,相邻正三棱锥间距2.0 mm,如图2(b)所示; 圆周阵列工件每个半圆环宽1.5 mm,高0.5 mm,相邻半圆环间距2.5 mm,如图2(c)所示.
前两种线性阵列工件抛光方式为抛光体与工件接触后工具头沿微结构线性阵列方向水平移动式往返抛光,实验中主轴以转速n自转和固定进给速度v进行抛光行程10 mm,故抛光时间t由抛光次数决定(每往返抛光一次为20 min),实验检测位置为抛光行程中间位置的微结构; 半圆环圆周阵列工件抛光时抛光工具与工件偏心距离e=10 mm(工具头半径),主轴自转的同时以一定的进给速度绕工件圆心抛光一圈,抛光区域内每一点的抛光时间是从抛光体开始接触到抛光体离开的时间,实验观测位置为距离工件圆心8.75 mm的同一处圆环,可计算抛光时间为19.56 min.
实验条件如表1所示,由于微结构工件表面不是平面,工件表面上各点到工具头端面的距离不相同,实验对刀时以工具头刚好接触到工件表面的位置为基准点,故除实验Ⅳ外,其余实验中的加工间隙Δ均指工具头端面微结构轮廓最高点的距离.每次实验的
抛光体取量相同,各实验只改变当组实验要研究的工艺参数,其余参数保持不变.其中,实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为不同工艺参数下对包体状微结构的抛光效果研究,实验Ⅱ和Ⅳ为两种抛光路径对包体状微结构的抛光效果研究.由于采用MCF抛光时,若微结构轮廓上各点到工具头表面距离不相等,则所受到的压力也不相等,致使抛光后轮廓上各点的材料去除效率差别较大.若采用抛光工具头端面始终与微结构轮廓相切且保持一定距离的抛光路径,可以使工件轮廓上各点受到的压力相同,但由于实验条件限制,本实验工具头只能上下移动,故采用等高线移动抛光方式,即工具头移动时保持抛光工具头端面中心点到微结构轮廓的间隙不变(即表1中实验Ⅳ的Δ表示工具头端面中心到微结构轮廓的间隙),如图3所示; 实验Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ研究了不同微结构的保形抛光,采用相同的工艺参数分别对3种微结构进行抛光实验.
将抛光前后的微结构工件置于基恩士VHX-5000系列超景深三维显微系统下检测表面质量和微结构轮廓.抛光前后微结构表面形貌如图4所示,显微镜2 000倍率下可以看出,经过抛光微结构表面质量得到了很大的改善.实验中,每组实验检测得到的微结构表面质
图4 显微镜2 000倍率下检测到的抛光前后表面形貌
Fig.4 The surface texture before and after polishing observed at the 2 000 magnification
不同工艺参数对包体状微结构的MCF抛光实验结果如图6所示,采用实验Ⅰ~Ⅲ任何一组工艺参数对包体状微结构抛光,实际材料去除效率R均沿着微结构表面轮廓先增大后减小,在包体最高处R最大.从图6还可以看出,R与Δ成负相关,与n成正相关,与t相关性不大.
图6 不同工艺参数对包体状微结构抛光表面的实际R值
Fig.6 The actual R volues of inclusion microstructure workpiece at different process parameters
R=KPV,(1)
其中,K为Preston系数,P表示正压力,V为相对速度.其他条件不变时,R与P成正比,故实际加工间隙越小,材料的R值越大; 反之,材料的R值越小.因而实际R出现了上述图6所示的变化规律.
为了评价经过抛光后微结构三维轮廓的保形情况,引入保形系数k:抛光前微结构轮廓的高宽比值除以抛光后微结构轮廓的高宽比值,即
k=h'd-1/(hd-1)=h'/h=(h-Rp·t+Rv·t)/h=1-(Rp-Rv)·h-1·t,(2)
其中,Rp和Rv分别表示微结构轮廓上最大和最小去除效率,t为抛光时间,h和h'是抛光前后微结构轮廓高度值,d为微结构轮廓的宽度(抛光前后一样).
由式(2)及图6实验结果可计算出各抛光参数实验微结构轮廓的保形系数值,结果如表2所示.可以看出:其他工艺参数不变时,3种Δ对应的k差别不大,在0.996 5~0.998 2之间; 3种n对应的k同样是差别较小,在0.996 2~0.997 6之间; t的变化对微结构保形效果影响较大,随着t增加,k变小,抛光20 min时k为0.993 7,而抛光60 min时k则降到0.987 7.
两种路径下微结构轮廓上材料R值和k值的实验结果如图7和8所示.可以看出,采用等高线移动方式抛光的R值仍然是轮廓中间较高,两端较小.但是相比于水平移动方式各转速下的R,等高线移动方式的R的极差值均有所减少.水平移动式的极差值在0.061 2~0.096 1 μm/min之间,等高线移动式极差则降到0.036 1~0.044 9 μm/min.从
图8可以看出,相比于水平移动式抛光,采用等高线移动方式抛光的k值由0.996 2~0.997 6 增加到0.998 2~0.998 6.这是因为采用等高线移动方式抛光微结构轮廓高低位置的实际加工间隙差距相对较小,导致抛光压力相差也较小,所以不同n值下实际R的差值变小,保形效果更好.抛光实验
实验得到各微结构轮廓上的去除效率如图9所示.其中正三棱锥横向轮廓约为1.2 mm.对比包状体和半圆环微结构,不同的n值下半圆环微结构的R值均比包体状的小.这是由于工具头边缘的去除效率较低,圆周抛光时抛光区域内任一点抛光开始和结束时都经过工具头边缘,而线性阵列微结构所选取的微结构研究对象在工具头中间区域.通过式(2)计算得到包体状微结构、半圆环圆周阵列微结构、正三棱锥微结构的k值分别在0.996 2~0.997 6,0.996 2~0.996 5,0.989 7~0.995 0之间,如图 10所示,可以看出采用同样的工艺参数抛光后,对包体状微结构和半圆环微结构
图9 3种微结构工件抛光后的材料实际R值
Fig.9 The aceual R values of three kinds of microstructure workpieces after polishing
对微结构工件精密加工时,为了在改善表面质量的同时保证微结构的三维形貌不被破坏,本文中主要研究了工艺参数、抛光路径对微结构的MCF抛光的保形效果,以及同样的工艺参数对3种微结构进行MCF抛光的保形效果,并得到如下结论:
1)由于微结构高低不平,任一参数抛光时轮廓上各处都达不到完全均匀去除.不同Δ和n对微结构抛光的保形效果影响不大.Δ为0.5~1.5 mm时,k值在0.996 5~0.998 2之间; n为450~750 r/min时,k值在0.996 2~0.997 6之间.而抛光时间对微结构保形效果影响较大,随着t的增加,k值减少,保形效果越差.t从20 min增加到60 min后,k值从0.993 7降到0.987 7.
2)相同工艺参数抛光时,采用等高线移动方式对包体状微结构工件进行抛光,其k值为0.998 2~0.998 6,高于水平移动方式的0.996 2~0.997 6,保形效果更好.
3)相同工艺参数抛光时,对包体状微结构和半圆环微结构的保形效果较对正三棱锥微结构工件的保形效果更好.
综上,采用MCF抛光方法能够改善微结构阵列工件的表面质量,而且能较好地维持原来的三维微结构形貌,因此该抛光方法适用于微结构阵列工件的光整加工.