■广东科杰机械自动化有限公司 （江门 ） 关力锋

摘要：对某品牌智能手表蓝宝石盖板在数控雕铣机加工中出现外观不良的技术问题进行分析，通过工艺优化解决了加工外观问题，提高了产品质量和合格率。

随着智能手表的热卖与消费者广泛的应用，使用高强度、防刮擦和防碎屏的蓝宝石盖板作为智能手表的屏幕已成为发展趋势。

蓝宝石的硬脆特性导致其加工难度较大。因加工工艺不完善和工艺参数搭配不恰当，导致某品牌智能手表多批蓝宝石盖板外观问题如崩边、砂轮线等频繁出现，为此实施了一系列优化措施，快速有效地解决了加工问题。

1. 产品要求

客户对蓝宝石盖板产品的要求是：①表面质量合格，无崩边、无砂轮线及无亮边等；产品的尺寸与形状、位置精度合格。②控制成本，刀具寿命长。③高效加工。

2. 原工艺方案存在的问题

图1 手表蓝宝石盖板工程图

蓝宝石盖板如图1所示。采用原工艺方案，每天的成品合格率一直维持在67%～82%的水平。外观出现的问题主要表现为崩边、砂轮线，如表1所示。

表1 手表蓝宝石盖板外观不良统计

外观不良类型 数目/块 所占比例（%）崩边 178 76.7砂轮线 37 15.9

（1）崩边：外观边上出现不同大小程度的锯齿状缺口，如图2所示。

图2 蓝宝石盖板外观崩边

（2）砂轮线：边上出现横线刮痕状，如图3所示。

3. 原因分析

（1）原砂轮结构设计不合理，如图4所示。①砂轮振动大，动不平衡：此大直径砂轮图样要求动平衡等级为G1，使用动态分析仪（见图5）进行主轴+刀把（含砂轮）振动量测，测头摆放方式如图6所示。表2所示为砂轮结构设计优化前主轴+刀把（含砂轮）在各转速下的振动量测数据。用表2中的共振点做频谱分析，如表3所示。②大外形粗修刀具部位（D28mm 300#）设计不合理：砂轮直径过大，在两R3mm圆角清角粗修时，磨削液无法喷入加工区域进行润滑、冷却等（见图7），导致圆角处出现较多的崩边并超出精修余量（约0.14mm，精修余量0.1mm）。

图3 蓝宝石盖板外观砂轮线

图4 原大直径砂轮结构

图5 动态分析仪

图6 测头（加速度规传感器）摆放方式

图7 阻挡磨削液喷入的位置

表2 砂轮结构优化前振动量测数据

主轴转速/（r·min-1） 一通道（X向）/（mm·s-1） 二通道（Y向）/（mm·s-1）8 000 0.66 0.78 9 000 0.8 0.9 10 000 0.7 0.7 11 000（共振点） 1.78 1.69 12 000（加工转速） 1.57 1.55 13 000 0.98 0.99 14 000 1 0.87 15 000 0.88 0.87 16 000（加工转速） 0.98 1.2 17 000 0.8 1.1 18 000 1.2 1.26 19 000 1.1 1.3 20 000 1.3 1.4

表3 砂轮结构优化前主轴+刀把（含砂轮）的共振点振动频谱数据

主轴转速对应的频宽/Hz 一通道（X向）/（mm·s-1） 二通道（Y向）/（mm·s-1）1X（183.3） 1.68 1.65 2X（366.7） 0.003 0.01 3X（549.9） 0.003 0.01 4X（733.2） 0.002 0.002 5X（916.5） 0.001 0.003 6X（1.099 8kHz） 0.001 0.005振动总量 1.78 1.69结论 一倍频为工作频率，在多个频段中，其转子振动量为最大。

（2）原加工工艺方案规划不良。①加工工序安排不良，粗修走刀路线最远导致刀损快、崩边量超出精修余量，如表4所示。②走刀路线设置不良，台阶精修工序过于集中，导致每次磨削的余量过多，刀损快、崩边量大，出现砂轮线等，如表5所示。

4. 砂轮结构的设计优化

对砂轮结构设计进行优化，优化前后对比如表6所示。

5. 现场动平衡措施

采取单平面三点加重法动平衡调试砂轮+平衡环的动平衡措施。三点加重法在解决刀具系统的动不平衡问题上得到广泛应用，这种方法操作简便，所需设备只需一套多通道测振仪即可，整体调试时间较短，约在2h内，缩短了设备的停机时间，解决了刀具系统的振动问题，保证机床设备正常运行，提高了产品合格率和加工效率。流程如下：

（1）选取试重。一般选用许用值的1.5～2倍即可，现场有质量约为0.5g的M3内六角圆柱头螺钉（长度为5mm），可用此螺钉作试重。

（2）装上动平衡环，并试重测振。如图8所示，先将平衡环套装至砂轮的平衡环靠肩上待拧螺钉固定，再将刀具系统平均分为三等分，分别为P1（0°）、P2（120°）和P3（240°）点，分别将试重螺钉M3加于P1、P2和P3点，起动主轴到现时的共振动点（振动最大的转速点），测试主轴轴承处的三个固定点P1、P2和P3，对应三点的振动速度为v1、v2和v3，并测试优化后的刀具系统在不加重时的振动振速v0，如表7所示。

表4 工序安排不良

原加工顺序安排 加工顺序简图 加工效果①外圆台阶开粗

②带凸缘的大外圆开粗

台阶外边缘有大量的较大崩边（约0.18mm，精修余量只有0.1mm），此两工序的加工时间共为

表5 走刀路线设置不良

原加工顺序安排 加工顺序简图 加工效果外圆台阶外形、底面与上倒角精修

台阶上倒角边缘有大量的崩边（约0.03～0.07mm）和砂轮线，此工序的加工时间为

（3）计算不平衡量大小m和角度α。依下列公式计算mx、my，进而计算m和α。

在P1（0°）、P2（120°）、P3（240°）加试重质量M前、后的振动速度比例系数计算公式为

将表7中已知量代入计算，得K2＝（ 2.52＋ 2.82＋2.62－3×1.92）÷3×0.52=0.835。

不平衡量的X向分量计算公式为

mx＝（v12－v02）/（2MK2）－M/2

将表7中已知量代入计算，得mx＝(2.52－1.92)/（2×0.5×0.835）－0.5÷2＝2.91g。

不平衡量的Y向分量计算公式为

将表7中已知量代入计算，得my＝（2.82－2.62）/（2×1.732×0.5×0.835）=0.75g。

刀具系统的不平衡总质量计算公式为

将mx、my值代入计算，得m

表6 砂轮结构设计优化前后对比

砂轮设计优化及具有的优势 优化前 优化后优化1：可装载动平衡环+校正螺钉，实现刀具系统在线动平衡功能，抑制加工崩边、砂轮线，减少刀具不平衡的磨损

优化2：工序简化，将原台阶外形、底面及上倒角精修工序分开，抑制了崩边与砂轮线的产生

优化3：将原外形开粗部位D28mm 300#的砂轮直径减小到D20mm 300#，有效地解决磨削液被阻挡喷入的问题

图8 砂轮+动平衡环的加重测振示意图

表7 主轴轴承处对应三点（P1、P2和P3）试重前后的振动速度

振动最大的转速点 转速11 000r/min量测方向 CH1（v0） CH1（v1） CH2（v2） CH3（v3）振动值/（mm·s-1） 1.9 2.5 2.8 2.6

不平衡总量所在的相位角度计算公式为

将mx、my值代入计算，得α＝（0.75/2.91）＝14.45°。

（4）加重动平衡校正，按计算值m准确称量，并按α角的对面角度（α+180°）加重，再测振复检即可。根据前述计算结果可知，需在对应位置14.45°＋180°＝194.45°加重3g，才可实现在线动平衡校正。

但现场适合用来动平衡校正的螺钉质量受限，只能用0.5g的M3内六角圆柱头螺钉（长5mm）、0.93g的M3内六角圆柱头螺钉（长8mm）以及0.16g的内径D4.4mm的弹簧垫圈。现设计的动平衡环只有12个校正螺孔且均匀分布，并没有194.45°对应的校正螺孔，但可用角度分量法适当分配不平衡总量，即在计算出不平衡总量所在相位对面角度（α+180°）的前、后两个孔位，各装载不平衡总量的一半质量的校正螺钉，同样可实现动平衡校正。需在194.45°前、后两个孔位即在180°、210°各装载1.5g的校正螺钉。但现场没有1.5g的校正螺钉，则只能在每个螺孔用1颗0.93g的M3内六角圆柱头螺钉（长8mm）和3颗0.16g的内径D4.4mm的弹簧垫圈来装载及校正刀具系统的动平衡，以及进行校正后的振动复测，如图9所示。工艺优化后主轴+刀具系统（含砂轮、动平衡环和校正螺钉等）在各转速下的振动量测数据如表8所示。

6. 加工工序（编程策略）优化

以加工质量与效率最平衡的方式来优化工序、缩短刀路，增加分层、薄弱位置的精修余量分配等。加工顺序优化措施如表9所示，分层、余量分配优化措施如表10所示。

7. 工艺要点及效果

蓝宝石盖板数控加工工艺要点总结如下：①大直径砂轮的结构设计优化。②增设动平衡功能与校正。③优化工序缩短走刀路线，增加分层次数，合理分配薄弱位置的精修余量等。

工艺优化后带来的效果如表11、表12所示。

8. 结语

实践证明，采用砂轮设计优化、动平衡校正以及工序优化等措施是合理有效的，使得手表蓝宝石盖板的产能和加工效率大大提升，本公司的机床性能满足了高效、大批量生产的需求，并促进了大客户向本公司签订订单数量的增加。

图9 三点动平衡加重校正螺钉分布图

表8 工艺优化后各转速下的振动量测数据

主轴转速/（r·min-1） 一通道（X向）/（mm·s-1） 二通道（Y向）/（mm·s-1）8 000 0.12 0.134 9 000 0.18 0.12 10 000 0.25 0.3 11 000（原共振点） 0.45（优化前1.78） 0.34（优化前1.69）12 000（加工转速） 0.32（优化前1.57） 0.3（优化前1.55）13 000 0.34 0.38 14 000 0.36 0.38 15 000 0.38 0.36 16 000（加工转速） 0.4（优化前0.98） 0.41（优化前1.2）17 000 0.46 0.42 18 000 0.43 0.46 19 000 0.53 0.56 20 000（新共振点） 0.58 0.63结论经动平衡校正后改善较大的方面有：①振动总量减少到图样要求的动平衡级别G1（≤1mm/s）范围内。②共振点向高速的频段转移（现共振点在转速20 000r/min），加工转速12 000r/min、16 000r/min的振动总量也得到降低。③各转速的最大振动总量均在G1范围内，将振动总量从G2.5级别提升至图样要求的G1级别

表9 加工顺序优化

优化路线 加工顺序简图 优化前 优化后 取得的效果①带凸缘的大外圆开粗。②外圆台阶开粗

出现大崩边，两工序加工时间为 减小了最大崩边量

①崩边量减少，最大崩边值只有0.075mm（＜精修余量0.1m m，符合工艺要求），原开粗崩边0.18mm。②此两工序优化后的加工时间共为

表10 分层、余量分配优化

优化路线、余量分配 加工顺序简图 优化前 优化后①外圆台阶底精修。②外圆台阶外形精修。③外圆台阶上倒角加工有崩边，工序时间为1 m i n 5 5 s 无崩边，此三个工序加工时间共为5 m i n 5 8 s（而多出的时间可用前述开粗优化措施来补救）有砂轮线 无砂轮线

表11 手表蓝宝石盖板外观不良优化前后对比

加工问题类型 优化前数目/块 优化后数目/块

崩边 178 11砂轮线 37 11

表12 工艺优化前后效益对比

工艺 取得的效益成品率（%） 加工用时间 机床销售量/台 销售金额/万元优化前 67～82 10 约320优化后 95～99 50 约1 600

参考文献：

[1] 李长河，修世超. 磨粒、磨具加工技术与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[2] 数控加工技师手册编委会. 数控加工技师手册[M]. 北京：机械工业出版社， 2007.

[3] 王先逵. 机械加工工艺手册第1卷：工艺基础卷[M]. 2版. 北京：机械工业出版社，2007.

[4] 王先逵. 机械加工工艺手册第2卷：加工技术卷[M]. 2版. 北京：机械工业出版社，2007.