基于CAXA CAM 的薄片铜电极CNC 加工

马 郡

（宿迁学院，江苏 宿迁 223800）

在零件机械加工过程中，薄壁、薄板类的零件加工常常会由于内应力而引起翘曲、侧弯和扭曲等形式的变形，严重影响了零件的加工质量及加工效率，在实际加工中难以达到设计的形位公差要求和加工精度，加工工艺较为繁复，需要注意的细节较多，实际操作也较为复杂，是铣削加工中比较棘手的问题[1]。

1 薄壁零件加工变形原因及解决途径

1.1 变形原因

1）装夹变形。工件装夹时在横向或径向夹紧力的作用下会产生变形，影响其加工精度。

2）切削力。切削运动使材料的晶体颗粒间产生挤压、拉伸、拉断等现象，使晶体的原子间产生位移，形成不可恢复的塑性变形。

3）切削热。切削过程产生的切削热会引起工件的热变形，使其形位误差增大。

4）残余应力。切削力和切削热会使零件内部产生残余应力，薄壁零件加工时材料去除量大，剩余部位刚度也不尽相同，残余应力随着时间缓慢释放，就会产生一定的形变。

5）振动变形。切削过程中的振动也会引起变形，造成工件的加工误差[2]。

1.2 解决途径

随着我国先进制造业的发展，采用CNC 数控加工的薄壁零件越来越普遍。为减少加工变形，提高加工精度，加工时要注意以下方面。

1）改进装夹方式。利用专用夹具，合理选择定位基准、装夹位置及夹紧力，以避免变形的发生。

2）合理选用刀具。要求刀具精度高、强度大、刚度好、耐用度高，且尺寸稳定、安装调整方便。

3）合理确定切削参数。减小切削力和切削热引起的变形。

4）合理安排走刀路线和工序。分几次走刀加工直到最后尺寸的路线，使工件加工后变形小。

2 薄片铜电极加工实例

薄片铜电极被广泛用于制造注塑、压铸模具时产品的薄片，如发动机散热片、电脑机箱散热片及某些产品的电源散热窗口等。其具体特点如下：结构简单，顶部一般呈曲面形状，壁高而薄，加工余量较大；材质为延展性强的铜和铜合金，但加工工艺性差，薄片易产生弯曲变形，对工艺方案、切削参数的设置等要求较高[3]。

以下以实际生产中常用的普通数控机床及CAXA 制造工程师软件为例，说明其编程加工过程和方法。

2.1 零件图样

薄片铜电极外形如图1 所示，薄片铜电极的外形尺寸为75mm×75mm×40mm，其中底部基准方台部分高20mm，是校正和装夹部分；方台上排列4 个薄片电极，是直接加工部分；电极薄片的高度较大，最高点距方台平面高度为20mm；薄片厚度较小为2mm，放电腐蚀加工出模具型腔中对应的深窄槽；薄片顶部的完全倒圆角曲面应采用球形刀精加工，精度公差为±0.025mm。

图1 薄片铜电极外形（单位：mm）

2.2 装夹与对刀

先校正机用平口钳，将方形毛坯直接装夹其上，夹持量为5mm 左右，然后进行四面分中、对刀，并设置工件坐标系等参数，做好加工准备。

2.3 刀具的选用

刀具直径越大，加工时所产生的径向切削力也大，在其他条件都满足时，考虑到薄片易受力变形，宜选用直径较小的刀具[4-5]；加工电极深度时要考虑刀具的材料和长度，以保证其具有足够的强度，防止加工时引起刀具的径向跳动，如进口钨钢刀，其抗弯刚度和韧性较好[5]。另外，刀具的刀刃要锋利，以减小切削力。综上考虑，该例选用φ10 平底端铣刀进行粗加工，选用φ4 铣刀进行薄片侧面精加工。

2.4 切削用量的选用

CNC 加工中切削用量的合理选用意义重大。开粗时，首先，应选择尽可能大的背吃刀量，以减少走刀次数；其次，选择相对较大的进给量，有利于断屑，减少刀具消耗，降低成本；最后，结合刀具耐用度确定合理的切削速度[6]。光刀时，要保证加工的质量，在此前提下提高效率，因此优先选取较小的背吃刀量和进给量，而切削速度要尽可能高，这是实现减小加工变形、提高加工质量和效率的基本前提。

2.5 编程加工方案

薄片电极的加工工艺、加工参数及加工顺序直接影响加工效果。该例中加工工艺方案的整体思路如下：先粗加工基本外形，再精加工底部方台侧面和上表面，然后精加工薄片顶曲面，最后半精加工、精加工薄片侧面。

1）薄片区域粗加工。开粗时要快速去除大部分余量，切削力较大，应留有足够的加工余量，一般为1mm[5]。选用φ10 平底刀开粗，侧边留余量为1mm，底面留余量为0.2mm，主轴转速为2 500r/min，进给速度为1 000mm/min，薄片背吃刀量为0.6mm。走刀方式采用环切加工，使薄片受力平衡，能有效减少变形。下刀方式选择螺旋切入，如图2所示。

图2 薄片区域粗加工

2）基准方台侧面粗加工。上一步环切加工时，基准方台上方的侧面轮廓已被切削去除，这一步只需对基准方台侧面进行铣削加工[6]。选用φ10 平底刀进行轮廓加工，主轴转速为2 500r/min，进给速度为1 000mm/min，侧面余量为0.3mm，背吃刀量为1mm。

3）基准方台侧面精加工。基准方台侧面要为电极校正用，需要进行精加工[7]。选用φ10 平底刀进行轮廓加工，主轴转速为2 500r/min，进给速度为800mm/min，侧面余量为0。

4）基准方台上表面精加工。选用φ10 平底刀，主轴转速为2 500r/min，走刀速度为800mm/min。为防止刀具碰切到薄片侧面，侧面加工余量设为1mm，顶面余量为0。进刀点设为从工件外进刀。

5）薄片顶部圆角曲面精加工。因电极薄片较高，先加工薄片侧面后加工顶曲面时会对电极产生冲击荷载，易发生边角脆性崩碎，故应先加工薄片顶部再加工侧面[8]。

选用φ4R1.5 球头刀，主轴转速设为4 000r/min，进给速度为800mm/min。采用CAXA CAM 的参数线精加工的方式走刀，如图3 所示，设定进刀点位于圆角曲面的角点，行距定义为残余高度0.000 5mm，进行往复加工。由于铜电极被用于电火花机放电，需要留出放电时的火花加工间隙，加工余量应设为-0.1mm。

图3 薄片顶部曲面精加工刀轨

6）薄片侧面半精加工。选用锋利的φ4 的平底端铣刀进行轮廓精加工，主轴转速设为4 000r/min，走刀速度为800mm/min，加工余量为0.5mm。为了避免产生抢刀过切现象，每次下刀深度不能太大，每层切深仅取0.4mm，为了提高一定的效率，这时的转速和进给速度则取高一些。抬刀选为否，因为在轮廓外下刀，已确定是在安全的空位下刀，所以不需要设定抬刀，以节约刀具空运行时间，提高效率[9]。

7）薄片侧面精加工。同样，考虑到电火花放电加工间隙，薄片的加工余量设为-0.1mm；每层加工深度取0.2mm，其余参数同2）、5）、6）。

3 结论

薄壁零件铣削加工工艺分析、加工顺序和切削参数是保证加工质量的重要环节。为了控制和减小薄壁零件的切削变形，可优先选用转速高、背吃刀量小、适中进给、环切走刀的加工方式。薄片电极作为典型的薄壁零件，采用上述方式加工可以保证尺寸精度，提高加工效率，也可为同类零件的加工提供参考。