氟金云母可加工陶瓷极座切削试验研究*

吴定柱 刘兴宝 王兴桥 钱志强

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

作为研究物质基本组成、结构特征、物理和化学性质的最基本仪器—质谱仪，由于其直接测量的本质和高灵敏、高分辨性，被广泛应用于环境监测、食品安全、生命科学等多个领域［1－5］。在四级杆质谱仪构成系统中，四极离子质量分析器是其核心部件，直接影响质谱仪分析的质量范围和分辨率［6－7］。四极质量分析器中，氟金云母可加工陶瓷固定支座的加工精度直接影响四极质量分析器的装配精度。为了能够实现四极质量分析器的国产化并批量生产，就必须既保证加工精度又具有较高的生产效率。因此，有必要对可加工陶瓷的加工工艺进行系统的研究，以解决在生产过程中加工精度不稳定与生产效率低下的瓶颈问题。

1 氟金云母陶瓷不同刀具切削实验

氟金云母陶瓷组成是氧化物和卤化物的混合物，析出的主晶相为云母，母相陶瓷晶粒细小(0.3μm左右)［8］。氟金云母可加工陶瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大、热导率较低。云母片结构内的层与层之间靠范德华力联接，结合很弱，容易发生解理，层与层之间容易滑移，可提供低摩擦、自润滑的表面。在切割刀具的作用下，沿解理面产生微裂纹，通过微裂纹相互连接使小部分材料被去除，因此，云母陶瓷有很好的可加工性，可加工成各种形状，且精度可控。文献资料指出刀具与工件的组织不均匀，以及切削过程中产生的冲击性机械应力和热应力会引起边缘易崩裂、刀具易磨损等现象［8］。因此，为了确保加工质量，进行了高速钢刀、硬质合金刀、PCD刀具和CBN刀具等4种刀具切削实验。刀具磨损情况如图1所示。

分析切削实验现象及数据可以看出:(1)氟金云母可加工陶瓷车削加工中材料微观去除以穿晶断裂模式为主，沿晶断裂模式同时存在;(2)高速钢刀具无冷却条件下的材料去除过程可分为初期阶段、高效阶段和后期阶段3个阶段，崩刃是高速钢刀具正常磨损的主要形式，加工后表面质量最差;(3)硬质合金刀具的磨损形态包括主后刀面磨损、副后刀面磨损和横刃磨损，磨料磨损和粘着磨损是硬质合金刀具磨损的主要形式，优化切削参数和采取水作冷却液后硬质合金刀具也可以有较长使用寿命;(4)PCD涂层刀具和CBN刀具磨损量非常少，几乎可以忽略不计，加工后表面质量最好Ra0.1μm左右。因此，选用PCD刀片和CBN刀具作为氟金云母可加工陶瓷镗削实验的刀具。

2 可加工陶瓷极座镗削实验研究

2.1 试验条件

以典型四极杆质量分析器极座为实验对象，具体精度指标如图2所示。极座定位坐标圆弧的精度要求可以分为两部分:位置精度和几何精度(尺寸精度、形状精度)。因此，可以通过机床本身精度或者采用高精度工装控制极座与刀具镗头中心的位置来保证坐标圆弧的位置精度，通过加工工艺方法来控制定位圆弧的几何精度。

实验零件为外形尺寸为φ50.8mm×35mm的氟金云母可加工陶瓷极座试件，且在φ22.6mm圆周位置上预钻了4－φ10mm均布的孔。实验平台是基于高精度多轴加工中心搭建(单轴分辨力0.0001mm，转台定位误差4”)，如图3所示。镗削刀具选用山高整体硬质合金镗刀杆和PCD20镗刀片，转速200 r/min，进给速度F0.1mm/r。

2.2 实验数据及分析

经过多轮工艺参数实验确定了切削工艺参数，并稳定生产了一批合格极座。下表1是随机抽取一套极座的计量数据(单孔6个截面的计量数据)，分析可以看出:(1)单孔从上到下各个截面的尺寸一致性非常好，差值小于0.001mm，圆度0.0007mm左右，圆柱度小于0.0015mm;(2)各孔尺寸差值小于0.001mm。

表1 各孔尺寸、形状计量数据

3 结语

(1)掌握了氟金云母微晶玻璃可加工陶瓷材料机械加工的切削加工性能和刀具磨损失效规律。

(2)经过多轮加工工艺实验，能够稳定实现氟金云母可加工陶瓷极座定位孔尺寸和形状精度均误差小于0.002mm精度，为下一步实现四极质量分析器批量装配奠定基础。

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