☞ 这是金属加工（mw1950pub）发布的第19180篇文章

编者按

---

# 01

序言

有效地提高销售利润率是每个手机制造企业最难解决的问题。在取得市场占有率的同时，培养用户忠诚度是有效提高产品利润率的关键，这需要企业有足够的技术积累和创新能力，在创新的同时，有效地控制产品生产成本尤为关键。

国内某企业的手机产品多年采用陶瓷机身^[1]，陶瓷加工工艺一直不成熟，首件成品率仅为35%左右，企业相关产品一直无法大规模量产。本文以新研发的陶瓷手机中框零件为例，探讨陶瓷材料的加工方案。针过目前陶瓷加工中遇到的问题，分析并 寻找规律，优化加工工艺，涉及机床机械、数控系统、NC程序、刀具和测量设备等方面，提升零件加工质量，解决陶瓷加工中的工艺难题，全面提升产品的成品率，助力国内手机提升在市场上的竞争力，为5G时代的到来扫平障碍。

# 02

陶瓷材料介绍

陶瓷材料如图1所示，是以无机非金属天然矿物或人造化合物为原料，经粉碎、成形和高温烧结而制成的非金属材料。陶瓷主要分为传统陶瓷和特种陶瓷两类。

图1  陶瓷材料

传统陶瓷以黏土（包括陶土、瓷土和高岭土等）、石英及长石等天然矿物为主要原料，经粉碎、成形和烧结而成。因具有耐火、耐酸碱、抗氧化、电绝缘性好和易于清洗等优点而被广泛应用^[2]。 

特种陶瓷以氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化铅、氧化钛、碳化硅、碳化硼、氮化硅和氮化硼等人造化合物为原料，采用传统的或特殊的方法进行粉碎、成形，经高温烧制而成。有的在烧成后还要进行机械加工或极化处理，以达到对尺寸和形状的 精密要求，或使产品具有特定的铁电性能等。

手机上的陶瓷材料主要是氧化锆，由于陶瓷硬度高，耐腐蚀，耐高温，具有良好的物理特性，因此适合制作细小复杂的零件。

# 03

手机壳用陶瓷材料

# 04

陶瓷手机壳零件加工工艺分析

图5  刀具路径

零件加工质量稳定性差，易出现加工缺陷（见图6），主要问题为尺寸精度偏差大，出现流线纹理、接刀痕、拉丝、刀圈纹、明暗纹及加工振纹等。缺陷分布如图7所示。

a）流线纹理

b）振纹

d）拉丝

经过现场零件加工表现，结合加工工艺进行分析，得出以下结论。

1）陶瓷材料为新型材料，其加工工艺处于探索阶段，目前没有成熟的加工工艺可供借鉴。

2）陶瓷材料的加工特性对加工设备、刀具和夹具的要求较高。

3）表面质量差，加工表面存在众多加工缺陷， 如尺寸精度偏差大，存在过切痕、明暗纹、刀圈纹及振纹等。

4）材料首件成品率极低，仅为35%左右。

5）受陶瓷材料烧制工艺的影响，磨头使用寿命不可估计，难以保证尺寸精度。

零件在加工中重点要解决加工缺陷问题，克服尺寸精度不稳定难题，提高产量和成品率，降低返修率，需要对加工设备、加工工艺、装夹方案和刀具等进行全面优化。

# 05

加工中的影响因素和主要措施

在零件加工时，影响加工质量的因素众多，涉及机床机械精度、数控系统参数匹配度、加工程序的质量、刀具的选择及测量设备的精度等，各个环节出现问题都会引起零件加工质量不稳定。加工质量影响因素如图8所示。

解决问题的流程如图9所示，按照流程图对加工问题进行逐一分析，寻求解决办法。

图9  解决问题的流程

在生产时发现刀具磨损严重。氧化锆陶瓷硬度等级9.0，能加工的材料只有金刚石砂轮，与传统加工工艺不同，金刚石砂轮磨损速度较快。磨头的磨损如图10所示。

（1）刀具制造工艺  目前磨头制造工艺有两种：烧结工艺和电镀工艺。烧结工艺是胎体金属和金刚石颗粒间有化学键连接，同时包裹度高，金刚石不易脱落，因而耐磨性好，寿命长。电镀工艺胎体金属对金刚石颗粒是机械包裹，把持力不如烧结 的，耐磨性和寿命也不如烧结的，但比烧结的锋利。另外，某些细长、尖细的产品不适合烧结工艺，它会使基体变形。烧结温度高，也会使金刚石性能降低。目前采用的是电镀工艺。

（2）振纹与接刀痕现象分析运行程序加工一件零件后，测量T4号磨头与T5号磨头，发现两把刀具磨损量不一致，误差相差0.01mm。刀具的测量如图11所示。

a）加工前磨头尺寸

分析加工程序发现，加工中有两把刀具同时作用于同一个加工表面，两把磨头磨损量不一致时， 在工艺凸起位置，精加工磨头无法加工到待加工表面，从而在加工表面引起接刀痕现象。

程序轨迹如图12所示，T4号磨头与T5号磨头加工路径相差较大，两把磨头磨损量区别较大。根据加工工艺要求，加工侧壁的两把刀需要同时作用于同一个侧壁，当磨损量不一致时，会在侧壁留下接刀痕现象（见图13）。

b）T5号磨头刀路

a）侧壁接刀痕现象

（3）解决侧壁振纹与接刀痕问题的措施更换磨头制造工艺，采用烧结工艺的磨头，增加磨头耐磨性。改变加工程序，通过CAM软件将侧壁程序尽可能输出在零件中差位置，保证首件成品率。在首件加工结束后，增加机内刀具对刀仪测量工序，及时将刀具磨损值补偿，保证产品的稳定性。工艺优化前后零件表面对比如图14所示。

b）优化后

图14  工艺优化前后零件表面对比

图16  程序精度对比

图17  程序公差对比

综上所述，在CAM软件生成时，应选择适合的加工策略、点步距和进给量，优化NC程序的点位分布。好的点位分布可以提高加工表面质量，缩短加工时间。反之，表面质量会变差。

（4）解决流线问题的主要措施  流线现象如图18所示。陶瓷模具加工刀路点位分布与侧壁流线现象有直接关系。

优化加工刀路，将CAM软件点间距设置成 0.2mm，程序公差设置成0.006mm，可使用甄优曲面优化功能代替精优曲面优化功能进行切削。甄优曲面优化功能会对程序中不理想的点位、刀路进行重新优化，程序优化后，流线纹理完全消失。程序 优化前后加工效果对比如图19所示。

a）程序优化前点位分布

b）程序优化后点位分布

d）点位优化后加工表面

图19  程序优化前后加工效果对比

（5）刀圈纹现象分析  刀圈纹是加工中十分常见的问题，在机床直线进给或拐角处，可能会产生 规则性或无规则的刀圈纹、渐变刀圈纹、单一刀圈 纹和拐角刀圈纹等，刀圈纹的形状酷似奥迪汽车的 品牌标志。

刀圈纹在刀具移动方向出现变化的地方，且刀 痕间距不尽相同，由于刀痕随移动距离逐渐减弱， 所以判断振动发生在换向处。刀具在换向位置时， 机床X、Y轴丝杠进行加减速运动，加减速度设定引 起轴移动时轻微的过冲及机械振动，导致出现入刀 或拐角刀圈纹。

（6）解决刀圈纹问题的主要措施调整机床加减速参数，减小过冲和机械振动，在程序中增加系统指令Top surface，该指令可以平滑程序坏点、减小机械冲击并消除轮廓误差等，优化加工路径，在程序拐弯处设置更多圆弧，让刀具在拐弯处平滑换向。刀路优化前后加工效果对比如图20所示，刀路优化后，刀圈纹基本消除。

图21  机械及系统参数优化流程

a）调整前反向间隙大

b）调整前反向间隙小

d）速度优化后加工表面

图24  速度优化前后对加工的影响

（3）解决拉丝问题的主要措施  关闭静摩擦补偿，使用千分表或激光干涉仪精确检测反向间隙值（MD32450），重点检测Z轴，如果方向间隙过大（线轨应≤0.005mm），则应进行必要的机械调整，如丝杠预拉伸及轴承调整等，如无法调整，可尝试设置值为实际反向间隙的一半，或关闭反向间隙进行试切。通过优化轨迹速度和程序公差，增加系统功能“Jerktime”，按照这个思路对现有加工设备进行优化，可有效地消除拉丝现象。拉丝现象消除前后加工效果对比如图25所示。

a）参数优化前加工表面

b）参数优化后加工表面

# 06

结束语

通过对加工设备、加工工艺及刀具的全面优化，克服了陶瓷材料的加工缺陷，将手机壳成品率由原来的35%提升到80%以上，产品已达到量产标准，降低了生产成本，目前该产品已经成功上市。陶瓷材质手机壳手感圆润、质地坚硬，耐磨、耐刮 擦，不易摔碎，对信号无任何干扰，随着生产工艺的逐渐成熟，陶瓷手机壳将会受到消费者的广泛青睐。

参考文献：

[1] 孟少农. 机械加工工艺手册[M]. 北京：机械工业出版社，1996.

[2] 秦旭达，贾昊，王琦，等.插铣技术的研究现状[J]. 航空制造技术，2011 （5）：40-42.

[3] 田荣鑫，史耀耀，杨振朝，等. TC17钛合金铣削刀具磨损对残余应力影响研究[J]. 航空制造技术，2011（1）：134-138.

-End-

☞来源：金属加工 ☞编辑：王佳慧 ☞责任校对：徐裴裴 ☞审核人：吴晓兰 ☞媒体合作: 010-88379790-801