精密仪器硅青铜薄板零件切削工艺

2019-01-10苏州长风航空电子有限公司江苏215400蒋涯滨

金属加工(冷加工) 2018年12期

■苏州长风航空电子有限公司（江苏 215400）蒋涯滨

薄板零件已日益广泛地应用在各类精密仪器中，因为它具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点。但薄板零件的切削加工是生产中比较棘手的问题，原因是薄板零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大。如何提高薄板零件的加工精度将是我们必须解决的难题。

1.零件结构特点及切削加工分析

图1为用于固定精密仪器齿轮传动轴的薄板件。材料为硅青铜QSi3-1 Y，零件厚度为2.5mm，最薄处仅为1－0－0.06mm，平面度≤0.05mm，外形约为33mm×57mm，整体面积不大，但厚度面差异大，且厚度面上分布了6处φ1+0.01+0mm及4处φ3.5+0.012+0mm的孔，孔径精度要求高，且各孔相对中心X、Y坐标定位精度均在±0.009mm以内，最高为±0.006mm。中间有两处直径为φ3.5+0.018+0mm、φ3.5+0.021+0mm的台阶型通腔，其中一处位于零件边缘（见图1），孔位置尺寸见表1。

图1 平板零件结构和三维示意

表1 孔位置尺寸（单位：mm）

通过对零件结构及尺寸精度要求的分析，零件主要采用数控铣加工，但两处直径为φ16+0.018+0mm、φ19+0.021+0mm的台阶型通腔加工后，会对厚度平面度产生影响，继而会对位置精度要求很高的孔位产生影响。所以如何控制加工变形将是影响零件加工是否合格的关键。

2.工艺方案设计

（1）零件材料分析。本零件材料为硅青铜板 QSi3-1 Y 3.5，是以硅为主要合金元素的青铜（约含3%～3.5%），还含有少量的锰、镍、锌等其他元素。该铜合金材料强度高、弹性好、耐磨性高、塑性好，低温下不变脆；因硅含量的增高出现脆性相，结晶温度范围小，力学性能较锡青铜高。此材料牌号中的Y表示硬度较一般的铜合金要高。因此总体来讲此材料切削、钻孔等机加工性能较好，加工表面光洁，适合高速加工。

（2）机床设备的选用。由于高速铣削采用高铣削速度，适当的进给量，小的径向和轴向切削深度，因而铣削过程中刀具与工件挤压摩擦产生的应力变形减小，同时铣削时大量的切削热被切屑带走，表面加工精度提高。选用德国产HERMLE C40U高速数控铣床加工，该机床具备高速、高速进给系统、高速CNC控制系统等，其最高主轴转速能达到28 000r/min，能满足高速铣削加工技术，且机床重复定位精度＜0.004mm，单从机床误差角度上考虑理论上能够保证孔位±0.006mm的精度。

（3）刀具的选用。为配合HERMLE C40U高速数控铣床实现高速铣削加工，选取选择了安全性高、易切削和耐用度高的硬质合金刀。

同时结合加工的材料性质，铣削时选择了DORMER S322 D3（见图2）涂层硬质合金立铣刀，该种刀具适合QSi3-1 Y此种硬度的铜合金材料，考虑到刀具直径越小对于铣削变形影响就越小的因素，选择了刃部直径为D3mm的规格，刀柄直径却有D6mm直径，同时刃长短仅有12mm。这种台阶型的铣刀切削力和稳定性都较平衡的得到了保证。

钻孔时采用点孔、钻孔、铰孔三步进行，钻孔采用DORMER R458 DR0.9、DR3.4涂层硬质合金钻刀（见图3），铰孔采用DORMER B400 DR1.0、DR3.5涂层硬质合金铰刀。R458系列钻刀的结构与S322铣刀结构相似，刃细柄粗的形式能保证钻头钻孔的稳定性和精度。

（4）热校平工艺的运用。为降低加工中平面度变化引起孔位精度破坏的情况发生，在粗、精加工过程中间加以热校平的热处理工序。粗加工两处通腔后，工件表面硬化，加工应力集中，造成工件变形且不可避免。将粗加工后的平板放入自制的热校平夹具（见图4）均匀压平、紧固，一起放入热处理炉中升温至360℃左右保温2h后随炉冷却，取出后拿出平板即能达到既释放了切削应力又使平面度平整的目的。

热校平原理是将材料加热到金属再结晶温度以下的适当温度，这时由于材料变形抗力随温度升高而急剧下降，通过施加很小的外力就能使板材内部各层纤维组织趋于一致，达到校平同时又消除加工应力的目的。

3.确定加工方案

根据零件的特点，并经多次实践加工验证，设计了以下具体工艺方案：备料→去应力时效→数铣→线切割→数铣→线切割→数控粗铣→热校平→数控精铣→线切割。

（1）下料T3.5mm×90mm×110mm。考虑到后道工序中有两次去除压板压紧缘处余量，相应各边多放出30mm余量。

图2 S322 D3铣刀

图3

图4 热校平夹具装配

（2）热处理去毛坯应力时效。原始板料虽说应力较分散，但下料车间通过剪板机将大面积板料剪成所需要的尺寸时，会在毛坯边缘产生切削应力甚至边缘处出现塌弯的现象。进行热处理去应力时效可以有效去除剪切应力。

（3）数铣铣一面。该零件毛坯厚度只有3.5mm需要铣至2.5mm，不能像厚板料上虎钳夹持侧面加工，又因面积尺寸90mm×110mm较小，不能像大面积薄板料可以上真空吸盘吸附铣平面。只能采取小压板压住边缘部分，铣出一面后割去未加工到得边缘部分的方式进行。

（4）线切割割去未加工出的两条边。为了最大程度的减少切削力，减少变形，将本可以在数控铣床上进行的割边缘余量放至切削力很小的线切割进行。与对比通过锋利的刀具对零件进行切削的方式，电加工虽速度慢但精度好，径向切削力几乎可以忽略不计。

表2 数控粗精加工程序及参数

（5）数铣铣另一面，与第3工序步骤相同。

（6）线切割割去未加工出的两条边，与第4工序步骤相同。

（7）数控铣床粗加工两处内腔尺寸，单边留余量0.5mm精加工余量，并打工艺孔用作精加工的定位。在此道工序完成后，测量了零件的平面度：大于0.05mm，局部甚至大于0.1mm，显示切削变形较大。

（8）放入夹具热校平。清理夹具压合零件两面，保证不能有金属屑等杂物，平板放入自制的热校平夹具均匀压平、紧固，放入热处理炉中升温至360℃左右保温2h后空冷或随炉冷却。完成后测量平面度为0.02mm范围内，可以保证下道精加工得要求，消除了上道的切削变形。

（9）精铣内腔及所有孔。通过高速铣削加工技术及编程刀路的优化控制，参数的合理选用和适合刀具的使用后零件的尺寸均达到设计要求，平面度也没有产生变化。

（10）线切割割外形。找正定位孔后割外形尺寸，线切割切割外形产生的变形较小。

4.关键工艺方法的运用分析

此零件加工主要采用高速铣削，并结合线切割加工和热校平，来消除切削过程中应力与变形控制。确定的工艺方案中考虑了上述因素并制定相应措施。

（1）确定合理的高速铣削参数。高速铣削中并非速度越高就越好，而是通过对材料、刀具、精度的综合考虑后，给出合适的切削参数，以达到对于加工质量最优、成本最低、效率最高的平衡点。

结合以往对相似材料零件的实践加工经验，再通过前期的试加工最终确定各道编程指令的主轴转速、进给率、吃刀量的具体参数。表2为整个程序集和各种参数值。

（2）优化编程方式提高加工质量。高速切削中的NC代码并不仅仅局限于切削速度、切削深度和进给量的不同数值。程编时改变加工策略，以创建有效、精确、安全的刀具路径，从而得到预期的表面精度。以下是优化的措施：

保持金属的去除量恒定：在加工中恒定的金属去除量可以获得较好的加工质量，由于切削载荷均匀，可以延长刀具和机床的使用寿命。为保持恒定的切削条件，主要采用顺铣方式进行粗加工。在高速切削过程中采用顺铣铣削方式，可以产生较小的切削热，降低刀具的载荷，降低甚至消除了工件的加工硬化，以及获得较好的表面质量。

在工件余量不均匀的情况下，通常采用等高加工策略来保证恒定的金属去除量。粗加工采用的方法是在Z轴方向切削连续的平面，即等高加工策略。每层切深为0.5mm，比常规切削更小的切深减小了每齿切削去除量。

刀具要平滑地切入工件：在粗加工两处内腔时前，在内腔中心钻φ3.4mm的预孔，铣削进刀通过预孔Z轴方向直接移动至需要切削的深度，弧形切入材料，轴向受力几乎为零，径向切削力也能均匀进行，避免了平常采用的斜向下刀或多或少对零件表面的轴向会有一个冲击力的问题，如图5所示。

保证刀具轨迹的平滑过渡：无论在高速铣削的粗加工还是精加工中，保证刀路轨迹的平滑是保证切削负载恒定的重要条件，在NC程编中应尽量避免刀具路径轨迹出现尖角，让轨迹尽可能的光顺，这样可以提高工件表面加工质量。如图6所示。

减少刀具的切入次数：在高速数控程编中常常选择回路或者单向路径切削，这是因为在换向时，机床必须立即停止（紧急降速）然后再执行下一步操作，由于机床的加速局限性，容易造成时间的浪费。因此，选择单向的路径切削模式来进行顺铣，尽可能的不中断切削过程和刀具轨迹，减少刀具切入次数，获得相对稳定的切削过程。

退刀时采用进给速率：在高速数控精加工中采用进给速率退刀可以减小切削载荷的瞬间变化（见图7）。

（3）与线切割加工相结合控制变形。在前期试加工时，数铣粗铣厚度面后割压板用边缘及最后的外形尺寸均采用数铣一同加工完成，但发现数铣割外形后平面度变形大，需要反复校平研磨后才能进行下道加工，费时费力，后采用线切割割边割外形，有效地控制了变形量。

铣削加工原理是通过旋转的多刃刀具与工件材料直接接触，通过切除挤压等方式去除金属材料，虽通过高速铣削或小吃刀量等方式减轻变形，但毕竟该切削原理势必仍会造成应力变形。而线切割是利用脉冲放电时的电火花腐蚀现象来进行尺寸加工，所用的工具是一个细长的钼丝，加工过程中钼丝与工件不直接接触，二者之间不存在明显的相互作用力，因此工件所受切割冲击力小，平面度几乎不受加工影响。

图5 粗加工时进刀

图6 刀路轨迹优化

图7 退刀过程

（4）利用热校平控制零件平面度。数铣粗加工两处通腔后，平面度大于0.05mm，这对接下来精加工孔位会产生精度影响。通过使用模具进行热校平，一是使平面度达到理想效果，二是可以消除粗加工产生的应力，为后续精加工打下良好基础。热校平的原理是将材料加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度，这时由于材料变形抗力随温度升高而急剧下降，通过校平模具两面夹紧，就能使板材内部的各层纤维组织趋于一致，达到校平的目的。