李雷  郑江伟

（中航光电科技股份有限公司  河南  洛阳  470001） 

摘要：镜面加工是精密与超精密机械制造的核心关键技术，是精密注塑模具、航空航天精密工件以及光学精密元件等高端装备制造领域的核心技术支撑。本文以立式加工中心为核心加工设备，选取紫铜和模具钢为主要研究对象，依据GB1031-83表面粗糙度标准，系统性开展了机械加工领域的镜面加工工艺研究。结合实验验证，依托现有精密加工装备实现的Ra0.04μm超精密镜面加工成果，建立系统化的镜面加工分级体系、刀具选型方案、分级加工策略与工艺参数优化模型，研究表明，镜面加工是装备刚性、刀具性能、工艺参数以及材料特性四大要素的协同结果，遵循统一评价尺度，可有效提升精密与超精密加工的规范性、重复性与工程化水平。研究成果可为公司精密镜面加工工艺落地提供技术参考。

关键词：镜面加工；加工中心；紫铜；模具钢；工艺参数优化；表面质量控制

1    引言

1.1   研究背景与意义

随着高端制造向高精度、高表面质量和高可靠性方向发展，镜面加工已成为衡量国家制造能力的核心技术标志之一。镜面加工表面具备极低的表面粗糙度、高平整度、高光泽度与高尺寸精度，可有效降低构件摩擦损耗、提升抗疲劳强度和密封性、增强耐腐蚀性以及配合精度，广泛应用于航空航天、精密模具、光学仪器以及电子芯片等关键领域。

机械加工镜面以切削、铣削、车削、滚压和研磨等去除方式实现，区别于传统手工抛光与电化学抛光，具有效率高、一致性好、适合复杂曲面与可实现数字化管控等优势。本文依托现有精密立式加工中心设备与已实现的Ra0.04 μm标准镜面加工技术成果，聚焦多材料镜面铣削加工技术，开展分级工艺、参数优化和质量控制等系统性研究。当前，国内镜面加工短板，主要体现在设备精度稳定性、超硬刀具刃口制备和工艺参数协同优化等方面。基于此，本文聚焦铣削、滚压镜面加工技术，针对多材料、多精度等级的加工需求，构建系统化的技术方案，具有重要的工程应用价值。

1.2   研究内容与技术路线

1.2.1   主要研究内容

现有研究未形成适配不同粗糙度需求的分级加工方案，针对紫铜与模具钢的对比性加工研究较少，且工艺参数与实际装备适配性不足。本文以实际加工成果为基础，构建多材料和多等级镜面加工体系；优化工艺参数与加工策略，解决国内镜面加工精度不足与工艺不规范的痛点，制定分级加工策略，优化各材料与各粗糙度等级的工艺参数；分析镜面加工质量影响因素与误差控制方法，验证工艺方案可行性；展望镜面加工技术未来发展趋势，提出国产化技术突破方向。

1.2.2   技术路线

本文采用“理论分析-分级体系-方案构建-应用验证-趋势展望”的技术路线，以国标为基础建立分级体系，结合现有装备制定工艺方案，分析加工误差与质量控制要点，最终形成完整的镜面加工技术体系。

2   镜面加工理论基础与分级体系构建

2.1   镜面加工概念与技术特征

镜面加工是通过精密切削、铣削、研磨、滚压和抛光等工艺，去除工件表面微量材料，使工件表面粗糙度达到Ra≤0.1 μm，同时具备高平整度、低表面变质层、无微观划痕与凹坑的超精密加工技术。与传统精加工相比，镜面加工具备三大技术特征：一是精加工余量极小，精加工阶段刀具作用深度多处于微米级甚至纳米级；二是装备与刀具精度要求极高，主轴转速、定位精度、刀具尺寸精度和刀具刃口半径均需达到精密或超精密级别；三是加工环境可控性强，温度、振动以及粉尘等环境因素需严格管控，避免影响表面质量。

2.2    典型材料的镜面加工性能分析

不同材料的物理力学性能（硬度、塑性、导热性）直接决定其镜面铣削的加工难度与工艺策略，本文选取常见的紫铜、模具钢（SKD61）、铝合金和不锈钢四种典型材料，分析其镜面加工性能特征，为后续工艺参数优化提供依据。

紫铜：塑性好、硬度低（HV55~70）、导热系数高，切削过程中易产生积屑瘤，导致表面粗糙度升高，是镜面铣削的“易切削、难精整”材料。

模具钢（SKD61）：热处理后硬度较高（HRC48～52）、热硬性好、抗热疲劳，切削过程中切削力大、刀具磨损快，且材料韧性较强，易产生毛刺，是镜面铣削的难加工材料。

铝合金：密度小、导热性好、硬度低，切削过程中切削温度低，不易产生积屑瘤，镜面加工难度低于紫铜与模具钢，适合高速铣削镜面加工，但受限于杂质或硅结晶，加工上限低于紫铜。

不锈钢：硬度高、韧性强、导热系数低，切削过程中切削温度高，刀具易产生粘结磨损，表面易出现加工硬化现象，镜面加工难度仅次于模具钢。

镜面铣削、滚压与传统抛光的本质区别见表所示。

表1 不同镜面加工方式的本质区别

2.3     镜面加工分级体系建立

本文以GB/T 1031-2009《产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》（替代GB1031-83）为核心依据。由于国标中无镜面标准，仅有等效描述，因此根据等效标准和工程应用，依据表面粗糙度Ra值划分为四个等级进行研究。本文重点研究采用加工中心设备实现的镜面加工方式。

表2  镜面等级划分

3    镜面加工方案构建

3.1    不同材料镜面加工现状分析

3.1.1    紫铜材料镜面加工

紫铜质地柔软、粘性大，加工中易产生粘刀和毛刺，是镜面加工的典型难控材料。国际上日本企业采用天然金刚石刀具与超精密铣削工艺，可实现Ra 0.01 μm的极致镜面精度，工艺稳定性强，批量加工一致性高；国内企业与科研机构受刀具与工艺限制，稳定加工精度多为Ra 0.02～0.03 μm，批量生产易出现表面划痕、粗糙度波动；本研究方案仅用硬质合金铣刀，优化工艺参数，也稳定实现了Ra 0.025～0.05 μm“标准镜面”加工，具备工程化落地可行性。

3.1.2   模具钢材料镜面加工

模具钢硬度高（HRC48～52）、耐磨性强，需采用超硬刀具加工。德国企业依托细晶PCBN刀具与五轴联动装备，达成Ra 0.02 μm镜面精度，且可实现复杂曲面加工；国内模具钢镜面加工多依赖研磨抛光，铣削直接成型精度仅Ra 0.08-0.1 μm，加工效率低；本研究以PCD刀具为核心，兼顾加工效率，目标实现Ra 0.04 μm“标准镜面”，提升直接成型精度，减少后续抛光工序。

3.1.3   铝合金与不锈钢

国际上铝合金镜面加工可稳定达Ra 0.02 μm，不锈钢镜面加工达Ra 0.03 μm；国内铝合金加工精度Ra 0.02～0.05 μm，不锈钢易出现加工硬化，精度仅Ra 0.05～0.1 μm；本方案以紫铜和模具钢为核心材料，铝合金和不锈钢仅做类比，暂不深入研究。

3.2    精密加工中心核心要求与选型

镜面加工对装备的静态精度、动态性能、环境适应性均有严苛要求，本文选用的精密加工中心需满足以下核心

指标：

运动精度：五轴联动控制，定位精度≤0.004 mm，重复定位精度≤0.002 mm，直线轴进给分辨率≤1 nm；

主轴系统：空气静压主轴/液体静压主轴，转速≥30 000 r/min，径向跳动≤0.5 μm，无振动、无径向窜动；

环境控制：环境温度18～22℃，配备整机恒温控制系统，避免热变形导致的尺寸偏差；配备防振地基，隔绝外界振动干扰。

3.3    刀具材料选型及几何参数确立

刀具是镜面加工的核心执行部件，需根据工件材料的硬度、塑性、切削特性选型，本文构建分材料、分等级的刀具选型体系：

3.3.1   紫铜与铝合金加工刀具

紫铜、铝合金塑性高、粘性大，易粘刀，需选用排屑顺畅、刃口锋利的刀具：

雾状镜面\标准镜面：选用YG6或YG8刀具，采用大前角（5˚  ～10˚ ）

和大后角、刃口无钝化、半径不大于0.003 mm，提高刀具锋利性，大流量极压切削液，避免粘刀与刀具磨损，保证加工效率；

追求极致，进一步精加工：选用聚晶金刚石（PCD）刀具，刃口半径＜100 nm，配合高转速和微润滑，可实现超精密镜面成型。

3.3.2    模具钢加工刀具

模具钢硬度高、切削温度高，不锈钢加工硬化倾向大，易产生积屑瘤粘刀，因此在刀具选择上有所不同，基于研究重点，不锈钢刀具暂不推荐。

准镜面：选用纳米涂层硬质合金刀具，涂层具备高硬度、耐高温特性，基体硬质合金微粒不大于1 μm，采用-5˚  ～0˚ 的负前角，并进行刃口强化，增强刃口抗冲击能力；

雾状镜面：选用细晶PCBN刀具，晶粒度≤1 μm，负前角设计增强刃口强度，适配高硬度材料切削，避免刀具崩损，后角一般为12˚ ～15˚ ，减少刀具与工件表面摩擦。

标准镜面：选用无刃金刚石涂层刀具，经过精密抛光，基体采用钴含量较低的超细微粒硬质合金。

3.3.3   刀具装夹与动平衡控制

镜面加工中刀具装夹误差、动平衡不足会引发振动，导致表面划痕与粗糙度上升，因此需采取以下控制措施：一是采用液压刀柄/热缩刀柄，装夹重复定位精度≤0.001 mm，避免径向跳动；二是对刀具、刀柄组合进行高速动平衡校正，平衡等级≥G1级，至少满足G2.5，消除高速旋转时的振动源；三是控制刀具悬伸量，不大于刀具直径的3倍，尽可能缩短悬伸长度，提升刀具刚性。

3.4   分级加工策略与工艺参数优化

3.4.1   分级递进式加工策略制定

高精度镜面加工无法直接实现，需采用逐级去除、逐级提精的分级加工策略，通过粗加工、半精加工、精加工、超精加工四道工序，逐步降低切削深度、进给量与行距，消除上一道工序的表面缺陷，最终达成目标粗糙度，具体工序分工如下：

粗加工工序：去除工件大部分毛坯余量，加工至接近成品尺寸，单边留量0.2～0.5 mm，采用大切深、大进给、高转速的参数组合，侧重加工效率，为后续工序奠定尺寸基础。模具钢粗糙度一般加工至Ra1.6～3.2 μm，紫铜至Ra0.8 μm。

半精加工工序：消除粗加工刀纹与表面变形，确保余量均匀，尤其是拐角位置，所用刀具半径不大于精加工刀具。单边留量0.05～0.1 mm，参数兼顾效率与表面质量，为精加工提供平整基准。模具钢粗糙度一般加工至Ra0.8 μm，紫铜至Ra0.4 μm。

精加工工序：核心成型工序，所用刀具小于拐角半径，采用微量切削参数，去除半精加工余量，达成准镜面加工，所用设备应是高速加工中心，刀具动平衡G2.5。如后续有镜面加工，单边留量0.003～0.02 mm，侧重表面精度控制。根据需求，模具钢粗糙度一般加工至Ra0.2～0.4 μm，紫铜至Ra0.1 μm。

超精加工工序：消除精加工微观刀纹与缺陷，实现超精密镜面。根据加工需求，加工材料选取不同的刀具，采取不同的加工方式。

3.4.2   分材料工艺参数优化

镜面切削遵循轻切深、高转速、小进给、顺铣、小行距、强冷却/润滑基本原则，目标是最小化残留高度、抑制振动、减少热损伤。结合刀具选型、装备性能与分级加工目标，通过大量工艺试验优化各材料、各等级的核心工艺参数（切削速度、每齿进给、切削深度、切削行距），形成标准化工艺参数表，如采用牛鼻刀加工可参考表3和表4 。

表3  紫铜镜面加工工艺参数

表4  模具钢镜面加工工艺参数

3.4.3   冷却润滑工艺优化

紫铜、铝合金粘性大，切削易产生积屑瘤；模具钢、不锈钢切削温度高，易引发刀具磨损与表面热变形，因此需优化冷却润滑方式：粗加工采用高压大流量切削液冷却，降低切削温度；精加工/超精加工采用微量润滑（MQL）或油气润滑或高精度过滤切削液（过滤精度≤2 μm），减少切削液残留与表面污染，同时提升刀具润滑性能，避免粘刀与表面划痕。

3.4.4   走刀路径优化

走刀路径直接影响表面刀纹与平整度，镜面加工应考虑采用以下路径策略：

（1） 选用顺铣方式，减小切削力与工件变形，避免逆铣产生的毛刺；

（2） 采用环形走刀或单向走刀路径，替代往复走刀，消除换向时的进给停顿痕迹；

（3） 复杂曲面：五轴RTCP刀尖跟随，保证法向姿态稳定；

（4） 根据球刀半径与表面要求计算行距，行距越小纹理越细密，残高越小；

（5） 采用牛鼻刀加工平面，应控制行距与刀尖圆弧匹配，行距≤刀尖圆弧半径的1/5，确保表面无明显刀纹。

4    加工验证分析

4.1   试验条件与检测方法

4.1.1   试验条件

（1）试验设备：高速五轴联动精密加工中心（定位精度0.004 mm（VDI），主轴最高36 000 r/min）；

（2）试验材料：T2紫铜、SKD61模具钢（HRC48～52）

（3）试验刀具：硬质合金刀具、无刃PCD刀具、细晶CBN刀具、纳米涂层硬质合金刀具；

（4）加工环境：恒温20±2℃、防振车间。

4.1.2   检测方法

表面粗糙度采用接触式粗糙度仪检测（检测范围Ra 0.01～12.5 μm），取3个测点平均值；尺寸精度采用三坐标测量机检测。

4.2   试验结果与分析

4.2.1   紫铜加工试验结果

采用本文超精加工参数，T2紫铜表面粗糙度稳定达Ra 0.03～0.04 μm，表面无划痕、无毛刺且无积屑瘤，达到标准镜面标准。

4.2.2   模具钢加工试验结果

SKD61模具钢（HRC60）采用CBN铣刀精加工后表面粗糙度达Ra 0.07～0.09 m，无微观刀纹，无需后续抛光即可满足精密模具使用要求，较国内传统工艺提升精度1～2个等级。

 SKD61模具钢（HRC60）采用无刃PCD刀具精加工后表面粗糙度达Ra 0.04～0.05μm，无微观刀纹，无需后续抛光即可满足精密模具使用要求，较国内传统工艺提升精度2～3个等级。

4.3   试验总结

本文构建的分级加工策略、工艺参数与质量控制方案，可稳定实现多材料不同等级镜面加工目标，工艺方案具备可行性、稳定性与工程应用价值，有利于提升镜面加工的工艺能力。尤其在紫铜加工中，采用硬质合金刀具，成本可控，效率可控，质量可控。

5   镜面加工技术行业展望与结论

5.1   镜面加工技术未来发展趋势

5.1.1   超硬刀具纳米化制备技术

未来刀具将向刃口纳米级精细化、刀具材料复合化（如金刚石-PCBN复合材料），方向发展，天然金刚石刀具刃口半径突破20 nm，PCBN刀具晶粒度进一步细化，复合涂层技术提升刀具耐磨性，适配更高精度镜面加工。

5.1.2   辅助加工技术融合应用

超声辅助铣削技术通过在刀具上施加高频振动，可显著降低切削力、减少刀具磨损、抑制加工硬化，尤其适用于模具钢、不锈钢等难加工材料的镜面加工，未来将实现与超精密机床的一体化集成。

5.1.3   智能化与闭环控制

加工装备集成AI智能算法、在线检测、误差实时补偿系统，实现工艺参数自主优化、表面质量自动调控，提升复杂曲面、异形构件的镜面加工一致性与智能化水平。

5.1.4   国产化技术自主可控

突破超精密装备核心部件、高端超硬刀具和专用工艺软件的国产化瓶颈，降低高端镜面加工技术对外依赖，形成自主可控的全产业链技术体系。

5.1.5   数字化孪生技术应用

AI参与构建镜面铣削的数字化孪生模型，实现加工过程的虚拟仿真与参数优化，在虚拟环境中完成工艺参数的预调试，减少实际实验的成本与时间，提升工艺优化的效率。

5.2   研究结论

本文围绕机械加工镜面加工技术开展系统性研究，得出以下核心结论：

（1）镜面加工必须以GB/T 1031-2009为统一评价体系，以Ra为量化指标，保证标准化与可重复性。

（2）明确了各等级的应用场景与技术要求，厘清了镜面铣削、滚压与传统抛光的本质区别。适配不同工业场景的精度需求，实现加工效率与表面质量的平衡。

（3）构建了适配紫铜和模具钢的刀具选型体系，优化了刀具几何参数与装夹工艺，为镜面加工提供核心执行保障。

（4）制定分级递进式加工策略，通过试验优化各材料、各等级工艺参数，形成标准化工艺方案。不同材料的可加工性差异显著，必须材料—刀具—参数匹配，才能稳定获得纳米级表面。

（5）试验与研究表明，本工艺方案可稳定实现目标粗糙度，提升加工合格率与效率，具备较强的工程落地价值，有利于提升镜面加工工艺能力。

5.3   研究不足与未来展望

本文研究聚焦平面与曲面镜面加工，直型腔、微结构镜面加工工艺仍需继续研究；后续将结合实际应用，进一步提升镜面加工技术向更经济、更宽应用场景、国产化自主方向发展。未来，镜面加工将从高端稀缺工艺变为主流精密制造标配，推动中国制造向高精度、高品质及以高附加值持续升级。