精密儀器硅青銅薄板零件切削工藝

■蘇州長風(fēng)航空電子有限公司 （江蘇 215400） 蔣涯濱

薄板零件已日益廣泛地應(yīng)用在各類精密儀器中，因?yàn)樗哂兄亓枯p、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。但薄板零件的切削加工是生產(chǎn)中比較棘手的問題，原因是薄板零件剛性差、強(qiáng)度弱，在加工中極容易變形，使零件的形位誤差增大。如何提高薄板零件的加工精度將是我們必須解決的難題。

1.零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及切削加工分析

圖1為用于固定精密儀器齒輪傳動軸的薄板件。材料為硅青銅QSi3-1 Y，零件厚度為2.5mm，最薄處僅為1－0－0.06mm，平面度≤0.05mm，外形約為33mm×57mm，整體面積不大，但厚度面差異大，且厚度面上分布了6處φ1+0.01+0mm及4處φ3.5+0.012+0mm的孔，孔徑精度要求高，且各孔相對中心X、Y坐標(biāo)定位精度均在±0.009mm以內(nèi)，最高為±0.006mm。中間有兩處直徑為φ3.5+0.018+0mm、φ3.5+0.021+0mm的臺階型通腔，其中一處位于零件邊緣（見圖1），孔位置尺寸見表1。

圖1 平板零件結(jié)構(gòu)和三維示意

表1 孔位置尺寸 （單位：mm）

通過對零件結(jié)構(gòu)及尺寸精度要求的分析，零件主要采用數(shù)控銑加工，但兩處直徑為φ16+0.018+0mm、φ19+0.021+0mm的臺階型通腔加工后，會對厚度平面度產(chǎn)生影響，繼而會對位置精度要求很高的孔位產(chǎn)生影響。所以如何控制加工變形將是影響零件加工是否合格的關(guān)鍵。

2.工藝方案設(shè)計(jì)

（1）零件材料分析。本零件材料為硅青銅板 QSi3-1 Y 3.5，是以硅為主要合金元素的青銅（約含3%～3.5%），還含有少量的錳、鎳、鋅等其他元素。該銅合金材料強(qiáng)度高、彈性好、耐磨性高、塑性好，低溫下不變脆；因硅含量的增高出現(xiàn)脆性相，結(jié)晶溫度范圍小，力學(xué)性能較錫青銅高。此材料牌號中的Y表示硬度較一般的銅合金要高。因此總體來講此材料切削、鉆孔等機(jī)加工性能較好，加工表面光潔，適合高速加工。

（2）機(jī)床設(shè)備的選用。由于高速銑削采用高銑削速度，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向切削深度，因而銑削過程中刀具與工件擠壓摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力變形減小，同時銑削時大量的切削熱被切屑帶走，表面加工精度提高。選用德國產(chǎn)HERMLE C40U高速數(shù)控銑床加工，該機(jī)床具備高速、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等，其最高主軸轉(zhuǎn)速能達(dá)到28 000r/min，能滿足高速銑削加工技術(shù)，且機(jī)床重復(fù)定位精度＜0.004mm，單從機(jī)床誤差角度上考慮理論上能夠保證孔位±0.006mm的精度。

（3）刀具的選用。為配合HERMLE C40U高速數(shù)控銑床實(shí)現(xiàn)高速銑削加工，選取選擇了安全性高、易切削和耐用度高的硬質(zhì)合金刀。

同時結(jié)合加工的材料性質(zhì)，銑削時選擇了DORMER S322 D3（見圖2）涂層硬質(zhì)合金立銑刀，該種刀具適合QSi3-1 Y此種硬度的銅合金材料，考慮到刀具直徑越小對于銑削變形影響就越小的因素，選擇了刃部直徑為D3mm的規(guī)格，刀柄直徑卻有D6mm直徑，同時刃長短僅有12mm。這種臺階型的銑刀切削力和穩(wěn)定性都較平衡的得到了保證。

鉆孔時采用點(diǎn)孔、鉆孔、鉸孔三步進(jìn)行，鉆孔采用DORMER R458 DR0.9、DR3.4涂層硬質(zhì)合金鉆刀（見圖3），鉸孔采用DORMER B400 DR1.0、DR3.5涂層硬質(zhì)合金鉸刀。R458系列鉆刀的結(jié)構(gòu)與S322銑刀結(jié)構(gòu)相似，刃細(xì)柄粗的形式能保證鉆頭鉆孔的穩(wěn)定性和精度。

（4）熱校平工藝的運(yùn)用。為降低加工中平面度變化引起孔位精度破壞的情況發(fā)生，在粗、精加工過程中間加以熱校平的熱處理工序。粗加工兩處通腔后，工件表面硬化，加工應(yīng)力集中，造成工件變形且不可避免。將粗加工后的平板放入自制的熱校平夾具（見圖4）均勻壓平、緊固，一起放入熱處理爐中升溫至360℃左右保溫2h后隨爐冷卻，取出后拿出平板即能達(dá)到既釋放了切削應(yīng)力又使平面度平整的目的。

熱校平原理是將材料加熱到金屬再結(jié)晶溫度以下的適當(dāng)溫度，這時由于材料變形抗力隨溫度升高而急劇下降，通過施加很小的外力就能使板材內(nèi)部各層纖維組織趨于一致，達(dá)到校平同時又消除加工應(yīng)力的目的。

3.確定加工方案

根據(jù)零件的特點(diǎn)，并經(jīng)多次實(shí)踐加工驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了以下具體工藝方案：備料→去應(yīng)力時效→數(shù)銑→線切割→數(shù)銑→線切割→數(shù)控粗銑→熱校平→數(shù)控精銑→線切割。

（1）下料T3.5mm×90mm×110mm?？紤]到后道工序中有兩次去除壓板壓緊緣處余量，相應(yīng)各邊多放出30mm余量。

圖2 S322 D3銑刀

圖3

圖4 熱校平夾具裝配

（2）熱處理去毛坯應(yīng)力時效。原始板料雖說應(yīng)力較分散，但下料車間通過剪板機(jī)將大面積板料剪成所需要的尺寸時，會在毛坯邊緣產(chǎn)生切削應(yīng)力甚至邊緣處出現(xiàn)塌彎的現(xiàn)象。進(jìn)行熱處理去應(yīng)力時效可以有效去除剪切應(yīng)力。

（3）數(shù)銑銑一面。該零件毛坯厚度只有3.5mm需要銑至2.5mm，不能像厚板料上虎鉗夾持側(cè)面加工，又因面積尺寸90mm×110mm較小，不能像大面積薄板料可以上真空吸盤吸附銑平面。只能采取小壓板壓住邊緣部分，銑出一面后割去未加工到得邊緣部分的方式進(jìn)行。

（4）線切割割去未加工出的兩條邊。為了最大程度的減少切削力，減少變形，將本可以在數(shù)控銑床上進(jìn)行的割邊緣余量放至切削力很小的線切割進(jìn)行。與對比通過鋒利的刀具對零件進(jìn)行切削的方式，電加工雖速度慢但精度好，徑向切削力幾乎可以忽略不計(jì)。

表2 數(shù)控粗精加工程序及參數(shù)

（5）數(shù)銑銑另一面，與第3工序步驟相同。

（6）線切割割去未加工出的兩條邊，與第4工序步驟相同。

（7）數(shù)控銑床粗加工兩處內(nèi)腔尺寸，單邊留余量0.5mm精加工余量，并打工藝孔用作精加工的定位。在此道工序完成后，測量了零件的平面度：大于0.05mm，局部甚至大于0.1mm，顯示切削變形較大。

（8）放入夾具熱校平。清理夾具壓合零件兩面，保證不能有金屬屑等雜物，平板放入自制的熱校平夾具均勻壓平、緊固，放入熱處理爐中升溫至360℃左右保溫2h后空冷或隨爐冷卻。完成后測量平面度為0.02mm范圍內(nèi)，可以保證下道精加工得要求，消除了上道的切削變形。

（9）精銑內(nèi)腔及所有孔。通過高速銑削加工技術(shù)及編程刀路的優(yōu)化控制，參數(shù)的合理選用和適合刀具的使用后零件的尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，平面度也沒有產(chǎn)生變化。

（10）線切割割外形。找正定位孔后割外形尺寸，線切割切割外形產(chǎn)生的變形較小。

4.關(guān)鍵工藝方法的運(yùn)用分析

此零件加工主要采用高速銑削，并結(jié)合線切割加工和熱校平，來消除切削過程中應(yīng)力與變形控制。確定的工藝方案中考慮了上述因素并制定相應(yīng)措施。

（1）確定合理的高速銑削參數(shù)。高速銑削中并非速度越高就越好，而是通過對材料、刀具、精度的綜合考慮后，給出合適的切削參數(shù)，以達(dá)到對于加工質(zhì)量最優(yōu)、成本最低、效率最高的平衡點(diǎn)。

結(jié)合以往對相似材料零件的實(shí)踐加工經(jīng)驗(yàn)，再通過前期的試加工最終確定各道編程指令的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、吃刀量的具體參數(shù)。表2為整個程序集和各種參數(shù)值。

（2）優(yōu)化編程方式提高加工質(zhì)量。高速切削中的NC代碼并不僅僅局限于切削速度、切削深度和進(jìn)給量的不同數(shù)值。程編時改變加工策略，以創(chuàng)建有效、精確、安全的刀具路徑，從而得到預(yù)期的表面精度。以下是優(yōu)化的措施：

保持金屬的去除量恒定：在加工中恒定的金屬去除量可以獲得較好的加工質(zhì)量，由于切削載荷均勻，可以延長刀具和機(jī)床的使用壽命。為保持恒定的切削條件，主要采用順銑方式進(jìn)行粗加工。在高速切削過程中采用順銑銑削方式，可以產(chǎn)生較小的切削熱，降低刀具的載荷，降低甚至消除了工件的加工硬化，以及獲得較好的表面質(zhì)量。

在工件余量不均勻的情況下，通常采用等高加工策略來保證恒定的金屬去除量。粗加工采用的方法是在Z軸方向切削連續(xù)的平面，即等高加工策略。每層切深為0.5mm，比常規(guī)切削更小的切深減小了每齒切削去除量。

刀具要平滑地切入工件：在粗加工兩處內(nèi)腔時前，在內(nèi)腔中心鉆φ3.4mm的預(yù)孔，銑削進(jìn)刀通過預(yù)孔Z軸方向直接移動至需要切削的深度，弧形切入材料，軸向受力幾乎為零，徑向切削力也能均勻進(jìn)行，避免了平常采用的斜向下刀或多或少對零件表面的軸向會有一個沖擊力的問題，如圖5所示。

保證刀具軌跡的平滑過渡：無論在高速銑削的粗加工還是精加工中，保證刀路軌跡的平滑是保證切削負(fù)載恒定的重要條件，在NC程編中應(yīng)盡量避免刀具路徑軌跡出現(xiàn)尖角，讓軌跡盡可能的光順，這樣可以提高工件表面加工質(zhì)量。如圖6所示。

減少刀具的切入次數(shù)：在高速數(shù)控程編中常常選擇回路或者單向路徑切削，這是因?yàn)樵趽Q向時，機(jī)床必須立即停止（緊急降速）然后再執(zhí)行下一步操作，由于機(jī)床的加速局限性，容易造成時間的浪費(fèi)。因此，選擇單向的路徑切削模式來進(jìn)行順銑，盡可能的不中斷切削過程和刀具軌跡，減少刀具切入次數(shù)，獲得相對穩(wěn)定的切削過程。

退刀時采用進(jìn)給速率：在高速數(shù)控精加工中采用進(jìn)給速率退刀可以減小切削載荷的瞬間變化（見圖7）。

（3）與線切割加工相結(jié)合控制變形。在前期試加工時，數(shù)銑粗銑厚度面后割壓板用邊緣及最后的外形尺寸均采用數(shù)銑一同加工完成，但發(fā)現(xiàn)數(shù)銑割外形后平面度變形大，需要反復(fù)校平研磨后才能進(jìn)行下道加工，費(fèi)時費(fèi)力，后采用線切割割邊割外形，有效地控制了變形量。

銑削加工原理是通過旋轉(zhuǎn)的多刃刀具與工件材料直接接觸，通過切除擠壓等方式去除金屬材料，雖通過高速銑削或小吃刀量等方式減輕變形，但畢竟該切削原理勢必仍會造成應(yīng)力變形。而線切割是利用脈沖放電時的電火花腐蝕現(xiàn)象來進(jìn)行尺寸加工，所用的工具是一個細(xì)長的鉬絲，加工過程中鉬絲與工件不直接接觸，二者之間不存在明顯的相互作用力，因此工件所受切割沖擊力小，平面度幾乎不受加工影響。

圖5 粗加工時進(jìn)刀

圖6 刀路軌跡優(yōu)化

圖7 退刀過程

（4）利用熱校平控制零件平面度。數(shù)銑粗加工兩處通腔后，平面度大于0.05mm，這對接下來精加工孔位會產(chǎn)生精度影響。通過使用模具進(jìn)行熱校平，一是使平面度達(dá)到理想效果，二是可以消除粗加工產(chǎn)生的應(yīng)力，為后續(xù)精加工打下良好基礎(chǔ)。熱校平的原理是將材料加熱到金屬再結(jié)晶溫度以下某個適當(dāng)?shù)臏囟龋@時由于材料變形抗力隨溫度升高而急劇下降，通過校平模具兩面夾緊，就能使板材內(nèi)部的各層纖維組織趨于一致，達(dá)到校平的目的。

5.結(jié)語

通過對本項(xiàng)目硅青銅薄板的材料分析，切削刀具的選用，應(yīng)力變化的預(yù)判等綜合因素的科學(xué)分析，確定上述加工工藝流程及在數(shù)控編程技術(shù)方面的優(yōu)化和改進(jìn)，使得原來難以保證的薄板零件加工精度問題得以較好解決。同時為今后此類零件的加工提供了借鑒。