銅合金框架材料邊部毛刺控制的探討

朱國權， 王延輝， 石運濤

(中鋁華中銅業有限公司， 湖北 黃石 435005)

銅合金框架材料邊部毛刺控制的探討

朱國權， 王延輝， 石運濤

(中鋁華中銅業有限公司， 湖北 黃石 435005)

通過對650進口圓盤縱剪刀軸系統存在的問題及配刀方法的探討，提出了合理的刀軸調整及配刀模式，解決了影響剪切框架材料形成的邊部毛刺問題。

圓盤剪； 刀軸； 配刀模式； 毛刺

0 前言

圓盤剪常用于剪切帶材邊部或將寬帶剪切為多條窄帶，是銅帶加工過程中必不可少的設備之一。按用途和結構分為切邊圓盤剪和分條圓盤剪，該設備的精度及工作狀況決定了帶材剪切質量。中鋁華中銅業有限公司引進的德國GEORG公司圓盤縱剪分切及包裝自動化生產線，主要用于剪切包裝高精度框架材料銅帶，是該公司在國內第一臺銅合金分條圓盤剪，本文就該圓盤剪在刀軸及配刀模式等方面對造成的帶材邊部毛刺等質量問題進行分析，并提出了控制毛刺超標的建議。

1 圓盤剪主要結構參數

圓盤剪是縱剪生產線的一個重要部份，其主要結構大同小異，由刀座、刀軸、鎖緊及升降調節機構等組成。GEORG公司圓盤剪不同之處在于鎖緊部分采用液壓螺母自動鎖緊，有別于機械螺母鎖緊方式，其換刀自動化程度較高，主要結構如圖1所示。

圓盤剪設備技術參數：

剪切速度 0～400 m/min

剪切厚度 0.08～1.2 mm

剪切寬度 300～650 mm

刀軸直徑 ∮160 mm

刀片直徑 ∮250 mm

最多分切條數 43條

2 銅帶剪切原理

銅帶材在受拉運動過程中，上下刀片以相同于銅帶材的速度做圓周運動，上下刀片的刃口距離隨刀軸轉動而逐漸減小，帶材被不斷切入而發生變形，經過彈性變形、塑性變形及斷裂三個階段后被完全切開。剪切原理分析圖見表1。

3 框架材料毛刺問題案例

圓盤剪主要用于剪切C19200和C19400牌號框架材料，其作為集成電路的芯片載體，除內在強度、導電性能以及導熱性能達標外，外觀要求較為苛刻，表面光潔度Ra≤0.08(Rmax≤1),無劃痕，寬度公差精度±0.002 mm，特別是對邊部毛刺高度要求≤0.015 mm，個別客戶要求≤0.01 mm。

圖1 圓盤剪主要結構

彈性變形階段上下刀刃與板帶接觸并擠壓,板帶產生彈性壓縮且有彎曲,同時板帶材料受力向兩側間隙擠壓趨勢,隨著刀的靠近彎曲越嚴重,此時材料內應力未超材料彈性極限。塑性變形階段隨著刀刃擠壓力增大,超過板帶彈性極限,達到板帶屈服極限,產生塑性變形,形成光亮的剪斷區。由于側間隙的存在,極小部分材料存在彎曲拉伸,在刀刃處應力較為集中,其最大應力狀態超過材料的斷裂極限,出現小裂紋。斷裂階段當上下刀刃交合切入深度最大時,小裂紋擴展至板帶內部,在側隙合理均勻的情況下,上下裂紋重合,材料被分切開來。

2009年～2010年中鋁華中銅業有限公司生產的框架材料產品每月均有邊部毛刺超標，見表2。

表2 2009～2010年銅帶邊部毛刺超標統計表

4 毛刺產生機理

毛刺是銅帶在切削力作用下產生晶粒剪切滑移、塑性變形，使材料被擠壓、撕裂，導致帶材表面或交界處出現的多余材料。框架材料毛刺在帶材邊部表現形式有高低起伏的連續狀和間斷狀，見圖2。

連續狀毛刺主要原因為刀具間隙或重疊量配置不合理，間斷狀毛刺為刀軸交叉或崩刃造成。整條連續出現的毛刺往往在0.025～0.03 mm之間，間斷毛刺往往在0.03 mm以上。剪切毛刺產生的原因較多，以下僅從GEORG圓盤剪本身存在的問題進行分析。

4.1 刀軸位置精度的影響

刀軸(圖3)作為圓盤剪的核心部件，其本身園跳動、軸端面跳動、軸向竄動、空間平行度、水平度精度及安裝精度直接影響剪切質量。在機架閉合鎖緊的條件下，測量刀軸位置精度：上軸傳動側外圓端部跳動為0.003 mm，操作側0.01 mm；下軸傳動側擺動為0.008 mm，操作側0.025 mm；利用千分表固定在底部線性導軌上檢測刀軸偏擺趨勢，結果發現操作側軸端往出口端偏移0.03 mm，兩軸誤差0.02 mm，其余參數較為正常。檢查結果為兩刀軸存在交叉及不在同一平面等問題，對產生間斷狀毛刺有較大影響。

圖2 40倍光學放大鏡下毛刺

圖3 上下刀軸示意圖

4.2 刀具精度的影響

在刀軸精度及定位精度正常條件下，刀具精度顯得尤為重要，因此需考慮以下因素的影響：

(1)刀片是直接作用于帶材的工具，其厚度公差、平面度、平行度、表面銹蝕、崩刃等情況。

(2)調整墊片厚度公差過大、平面度、表面銹蝕情況

(3)復合橡膠環定位面平面度、表面清潔度、厚度公差等一系列硬件條件是否達標都將直接影響剪切毛刺的產生。

經過篩選發現，在用刀具中有崩刃、瓢曲、銹蝕、磕傷的刀具，體現在刀具平行度>0.001 mm、平面度>0.001 mm。

4.3 配刀模式的影響

配刀模式和選擇的刀具精度等級、材料性能有很大關系，如本身刀具精度為0.01 mm，欲剪切0.2 mm帶材，本身配刀間隙就0.02 mm，不可能剪切出無毛刺的產品。從成本角度考慮，采用精度等級為±0.0005 mm刀具，可以實現優化配刀。配刀時選用的側間隙和重疊量是否合理也是影響毛刺產生的重要因素，當上下軸肩基準面偏差時，會出現間隙平均分配移位偏差，導致分條帶材一邊毛刺大，一邊毛刺小的狀況；由于積累誤差等原因，分切多條時操作側端容易產生超差毛刺。

5 控制毛刺超標的途徑

5.1 刀軸位置精度調整

在經過GEORG工程師使用精密儀器對下軸軸端的軸承定位孔進行精密桁磨及選用耐鏗6 mm厚刀片試切未達理想效果后，2011年3月，從實測的數據開始自行嘗試調試刀軸到正常位置精度狀態，調整方法如下：

(1)將定位刀軸的活動軸承座底部內側面調整墊塊減薄0.03 mm，將操作側刀座整體往入口側偏移0.03 mm，消除刀軸整體偏擺量。

昆明世紀金剛經貿有限公司董事長張彥輝說，官渡區工商聯的凝聚力特別好，能實時關注到企業包括融資方面的困難和需求。就目前來講，民營企業在融資難方面依然存在困難。下一步，希望區工商聯能夠加強協調和聯系，幫助民營企業健康發展。

(2)調整上下移動滑塊調整墊片，消除兩軸誤差0.02 mm，由于前期外方桁磨了下軸軸承座內孔，刀軸軸承不至于轉動困難。

(3)用水平儀檢測基準刀軸水平度，再用量塊檢查兩軸間距離，復核兩軸上下平行度，如需調整，打開升降機構聯軸器，單獨轉動操作側軸承座，看光柵尺顯示下降或上升的數值合理后即可。

經過精心調整，刀軸在機架鎖緊狀態下達到圓跳動0.003 mm、刀軸端面跳動0.005 mm、兩刀軸平行度0.005 mm、園刀片外端面跳動0.01 mm的精度。

5.2 配刀模式

5.2.1 選用合適的刀具精度

由于框架材料比鋼板硬度軟，用戶毛刺高度要求較高，剪切難度較大，采用精度為±0.0005 mm的圓盤刀、調整墊片及橡膠隔離環，既可以保證框架材料剪切的質量，已可以減少工具成本，通過前期使用效果來看，德國 IKS- 5 mm刀具具有剛度好及精度高等優點。

5.2.2 合理的配刀模式

在選用合適精度的刀具后進行配刀，分切條數越多，越難控制剪切毛刺，上百片刀具疊在一起，會有累積誤差產生。為徹底消除累積誤差，采用配刀軟件SLAP，其意思是Slitting Line Assembly Program。在刀片、復合橡膠圈和調整環出廠時已對它們的厚度的正，零，負公差值作出“+”，“0”，“-”的標記，并被輸入到計算機中。在配刀時，只需在計算機上輸入分條寬度及條數等參數，計算機自動挑選那些能在一個基本單元內“+”“-”抵消，總誤差盡可能為零的刀片，復合橡膠圈和調整環，并把它們的“0”，“+”，“-”和數量告訴配刀者，由配刀者根據軟件提示直接配刀，效率和精度大大提高。

5.2.3 側間隙控制

如圖4所示，每個剪切單元的寬度由4部分組成：2片圓盤剪刀片、上下刀側的間隙、復合橡膠隔離圈、調整環。在刀片、復合環、調整環精度保證的前提下，影響剪切毛刺的主要因素有刀片側間隙和上下重疊量。

圖4 剪切單元組成

側間隙往往和剪材料性能(屈服強度和韌性)、厚度有著非常密切的關系。通常情況下軟料側間隙要比硬料要小，主要是硬料塑性變形區小，剪切力更容易向剪切力方向傳遞，減小側間隙可以減少塑性變形區，毛刺可以得到有效改善，但側間隙過小會形成擠出的毛刺，過大會產生拉出的毛刺。通過實踐研究，從軟態到硬態的銅帶，側間隙可選擇其厚度的3%～25%，見表3。

表3 部分銅帶剪切常用間隙參考值

適中的水平間隙和過緊、過松間隙對剪切毛刺有不同程度的影響，見表4。

如剪切C19200牌號厚度0.381 mm銅帶，側間隙控制在0.015 mm，就可實現毛刺高度在0.01 mm內，完全能達到用戶要求。

5.2.4 重疊量選擇

圓刀的垂直間隙即上下圓刀的重疊量。通常應把重疊量給定最小，只要每條料都被切開即可，有時出現傳動側切開操作側未切開的現象，主要是刀軸平行度出現了問題。

板帶材厚度從0.2～1.2 mm時，重疊量隨厚度增加而增加，約為料厚的1/4～1/2；厚度1.2 mm時，重疊量最大，約為0.6 mm。當超過1.2 mm厚度時，重疊量隨厚度增加而減少。當厚度達到約3 mm時，重疊量為零，達到3 mm以上時，重疊量為負間隙，即上下刀片互相離開。

例如：厚度在0.2以下薄帶材，重疊量約為0.05～0.1 mm。若選擇重疊量過小，就會產生毛刺。選擇不合理的重疊量，會對橡膠環產生嚴重的擠壓，輕則影響橡膠環壽命(橡膠環延展永久變形)，重則會使刀軸彎曲、偏心，最后造成刀片水平間隙改變，這樣，帶材邊部產生毛刺更大。

表4 側間隙對毛刺影響比較

5.2.5 橡膠環尺寸控制

橡膠環外徑大小選擇也很關鍵，外徑不合理搭配會對帶材產生一定的預壓力，使帶材剪切前產生一定變形量，從而使剪切過程中產生毛刺，尤其對于軟態料比較明顯。例如：剪切0.1 mm軟態帶材時，刀片外徑Φ250 mm，雌刀橡膠環為Φ250.1 mm，雄刀橡膠環為Φ250.3 mm；剪切0.6 mm軟態帶材時，刀片Φ249 mm，雌刀橡膠環為Φ248.7 mm，雄刀橡膠環為Φ250.3 mm，就可以實現帶材剪切毛刺最小。

6 結束語

通過合理的刀軸調整及配刀模式，消除了影響毛刺超標的軟硬件因素，實現了剪切框架材料毛刺高度始終保保持在≤0.015 mm內的目標，對于研究調試同類設備和其它軟硬態料剪切質量控制具有一定借鑒意義。

[1] 鄒家祥.軋鋼機械[M].北京：冶金工業出版社，2005.

[2] 梁治明，丘侃.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1993.

[3] 鐘衛佳.銅加工技術實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2007.

Study on Controlling the Side Burr of Electronic-frame Copper Alloy

ZHU guo-quan， WANG Yan-hui， SHI Yun-tao

(Chinalco Central China Copper Co., Ltd., Huangshi 435005, Hubei China)

Through the study on the problem of 650 slitting shaft system and selection of distribution method, this paper proposes the reasonable solution on adjusting cutter shaft and distribution mode, solving the side burr when slitting frame copper strip.

slitting shears； cutter shaft； distribution mode； burr

2013-10-21

朱國權(1972-)，男，貴州金沙人，工程師，大學本科，主要從事銅加工設備管理及機械技術工作。

王延輝(1984-)，男，河南洛陽人，工程師，大學本科，主要從事機械技術工作。

TG146.11

B

1003-8884(2014)01-0020-06

石運濤(1974-)，男，河南洛陽人，技師，主要從事剪切技術工作。