无氧铜精密零件加工分析

毛爽军

（深圳市飞亚达科技发展有限公司，广东深圳 518107）

0 引言

无氧铜材料具有高的导电性和导热性，优良的塑性，极好的冷加工性，被广泛运用在激光器封装盒零件上。根据封装盒零件图样的要求，内腔体表面应具有很高的光洁度，粗糙度要求为Ra0.8 μm以下，腔体内的每一个尺寸精度及形位公差要求都很高，一般为5～7级。在生产过程中，由于生产设备、加工工艺、刀具、程序、夹具等多方面的原因，造成在零件表面质量和尺寸无法达到图样要求，另外无氧铜属于有色金属，分子比较活跃，在各工序的生产环节极易氧化。本文以无氧铜封装盒零件为例（如图1），研究分析无氧铜材料的加工细节，总结出一套高效无氧铜零件的加工方法。

图1 无氧铜封装盒零件

1 表面质量分析

1.1 表面粗糙度

通过对加工经验的总结，从以下5个因素来分析影响零件表面粗糙度原因。

1）机床稳定性。机床的性能好坏对无氧铜的表面粗糙度至关重要，将主轴跳动值控制0.01 mm以内，避免机床自身的跳动干扰产品表面粗糙度。其次，机床的周围环境也对加工稳定性造成了严重的影响，如机床摆放位置的地基不稳，或摆放在空心楼层，外部环境中的振动传递至床身而引起共振，破坏机床的平稳加工，影响产品表面粗糙度。

2）工艺。制定合理的加工工艺，充分考虑零件的加工受力，在各工序中增加零件结构刚度，减少零件加工变形，避免零件切削过程中产生表面振动波纹。

3）刀具。刀具选择不合理、刀体材料不合适、刚性差是引起振动的主要原因之一。若选错了刀具，会使刀具磨损加剧，引起切屑瘤、拉毛工件表面或打刀，引起振动，从而影响产品质量。无氧铜材料硬度低，适当增大刀具前角，使切削刃光滑锐利，减小切削时刀具前面的摩擦力，可同时抑制和避免切削瘤产生，降低径向切削分力，降低零件表面粗糙度值。

4）冷却润滑[1]。良好的冷却润滑条件，能快速地冲走刀具切削加工中产生的热量，当润滑条件不足时，刀具温度增高，切屑粘在刀具螺旋槽内无法正常排出，引起切屑打伤或拉毛产品表面，造成外观零件缺陷。

5）工装夹具。工装的结构设计及定位对零件加工影响很大，因工装的刚性不足或与加工参数不匹配，在铣削转角时会引起振动波纹[2]，增大了零件表面粗糙度。

1.2 表面异常情况

1.2.1 表面刀圈

1）随机刀圈。通过总结随机刀圈的产生原因有下列几种情况：机床在切削运动时，受周围环境中的噪声、振动的影响；机床自身刚性不足，工作台传动部件磨损；机床缺乏定期保养，工作台护板缝隙中堵满切屑，使工作台运动中产生爬行。这些随机出现的干扰，破坏了机床的平稳运动，造成零件表面产生随机刀圈。

2）固定刀圈。加工程序不合理，刀具切削路径发生急转弯、突然加速、减速，打破了机床的平稳运动，增加了刀具的抖动，在刀具路径拐角处，留下明显有深度的刀圈，针对拐角处固定位置的刀圈优化加工程序，将拐角处刀路修圆，使机床在拐角和转向时使用圆弧过渡的方式，平稳地改变切削方向，从而避免在拐角处产生刀圈。

1.2.2 表面凸起

刀具的切削刃磨损，切削时对零件表面进行挤压，造成表面材料产生塑性变形，切削结束后材料回弹，会在零件表面两刀路重叠之间形成凸起的刀纹。

1.2.3 面上坑点

无氧铜材料塑性好，如果切削时进给速度过快，刀具在切削的同时就会扯掉零件表面材料，在已加工表面形成不规则的坑点，在满足零件质量要求的前提下，适当降低进给速度，避免产生表面坑点现象。

1.2.4 侧壁过切

根据经验总结了导致侧壁过切的3种情况：1）刀具原因。粗加工刀具跳动太大，跳动值超过粗加工给铣加工的预留余量，导致精加工没有切削量。2）机床原因。机床陈旧老化，灵敏性能差，工作台在拐角转向运动时无法立即响应，导致侧面过切。3）程序原因。编程时将进给参数设置太高，超过了机床的加工能力；粗加工程序给精加工程序预留余量过少，导致精铣加工没有切削量，出现过切现象。通过试验总结了无氧铜切削的刀具参数，如表1所示。

表1 无氧铜材料切深参数

1.2.5 侧壁振刀

当刀具刚性不足时引起弹刀，导致零件侧壁、孔壁的刀纹差，且在零件侧壁打出有深度的凹坑。通过两种途径提高刀具刚度：1）减少刀具装夹伸长量，提高刀具刚度；2）改进刀具结构增加刚度，以φ2.0立铣刀为例（如图2），通过改进刀具结构，将立铣刀尾部刀刃改成避空杆，缩短刀具刃长，提高刀具刚度，降低振动。

图2 φ2.0立铣刀改进前后对比

2 铣削方式对表面质量的影响

顺铣加工：刀具旋转时刀齿的运动方向和刀具的进给方向相同，机床运行平稳，产生的振动小，后刀面磨损较少，在精铣加工时有利于减小工件加工表面的粗糙度值，同时顺铣也有利于排屑。

逆铣加工：刀具旋转时刀齿的运动方向和刀具进给方向相反。加工时出会现打滑现象，使刀具后刀面磨损加快，降低刀具寿命，往往会造成无氧铜产品表面质量不理想，普遍出现振动痕迹。

无氧铜加工通常采用顺铣，粗加工和半精铣加工采用顺逆铣结合加工，以提高加工效率为主，精铣加工以保证产品表面质量为主，采用顺铣加工。

3 无氧铜棱边毛刺的控制

无氧铜硬度低、塑性好，加工后零件棱边会粘细小的毛刺，零件去飞边毛刺[3]工程巨大，需要很高的人工成本，通过对铣削方法进行改进，在产品加工中就直接对毛刺进行控制与去除。

3.1 棱边表面压刀方法

在零件半精加工前，增加一次跟随零件轮廓边缘走刀，边缘走刀程序依照零件轮廓深度抬高0.02 mm，平面方向切宽0.3～0.5 mm，提前去除轮廓边缘的加工余量，然后再进行半精加工。精加工前，也增加一次零件轮廓边缘走刀，边缘走刀程序依照零件轮廓深度抬高0.005 mm，平面方向切宽0.3～0.5 mm，然后再进行精铣加工，通过两次对零件轮廓边缘的走刀，可以有效减少零件棱边毛刺。另外，无氧铜材料塑性好，加工时容易将零件棱边材料扯掉，造成棱边缺损，对零件边缘轮廓进行走刀操作，能完全避免棱边掉料现象。

3.2 重复空走法

受切削加工时切削力和挤压力的影响，第一次精铣加工完毕后，已加工表面会有轻微的回弹，为了更好地提高尺寸精度，完全消除零件棱边上的毛刺，同时也尽可能减少材料回弹量，二次运行精铣加工程序可完全去除零件棱边和各个死角毛刺，二次精铣也对零件表面起到了修光作用，能有效降低无氧铜的表面粗糙度。缺点是二次空走会增加加工时间，增加了生产成本。

4 特殊深孔加工

通常，在机械加工中，一般采用“长径比”（即孔深L与孔径dc之比值），描述孔的深度特征。长径比大于5时称为深孔，提高深孔孔壁表面质量是无氧铜加工中最大难点之一。

4.1 深孔加工前准备

特殊深孔加工应选择精度高、运行平稳的加工设备，为了提高加工的稳定性，针对零件的深孔结构定制专用的钻头、铣刀、铰刀，在满足产品深度尺寸的条件下，尽可能降低刀具装夹长度，增加刀具刚度。

由于深孔的结构特性，冷却液难以进入到孔内，导致加工过程中热量无法散发出来，因此在加工前详细考虑冷却润滑的条件，制定合理的加工工艺，同时机床加工转速不宜过高，进给量不宜过大，尽可能减少刀具加工热量，避免刀具折断、孔壁粗糙、孔壁扭曲变形等现象出现。

4.2 深孔加工工艺路线

在无氧铜的深孔加工中，为了保证孔的垂直度，采用分段啄钻加工的方式[4]，具体工艺路线如下：1）打定位。中心钻打定位，确定孔的位置。2）钻引导孔。使用刃长较短的钨钢钻钻出一定深度的引导孔，为后续钻孔导向，防止钻头钻斜。3）粗钻孔。开粗钻头沿着引导孔采用啄钻方式加工，将切削液带入到孔底，对钻尖部分进行冷却润滑。4）半精钻孔。运用扩孔铣刀对孔进行半精加工，修正钻孔导致的偏心，保证垂直度，为精铰孔创造加工条件。5）铰孔。最后采用铰刀对深孔进行精铰孔，运用铰刀的高精度保证孔径尺寸和孔壁表面粗糙度。

5 无氧铜预防表面氧化

无氧铜是单质铜（Cu），在各个工序的生产环节中，生产车间环境中温度与湿度不断发生变化，它与空气中的氧气（O2）发生化学反应后生成氧化铜（CuO），造成零件表面氧化。

5.1 短期保存

在无氧铜零件生产环节，受生产车间温度变化和湿度变化的影响，当前工序加工完毕后，立即清洁零件表面油污及杂质，使用水基型防氧化液或防氧化切削油对零件进行浸泡，与空气中的水和氧隔离，可满足短期内预防氧化的效果。

5.2 长期保存

针对已经加工完毕的成品零件，要求表面无任何氧化和腐蚀，由于交货期或运输的原因就不能采用任何介质去浸泡，将无氧铜零件用超声波进行精洗，完全去除表面油污与杂质，再用干燥空气进行风干，用宣纸进行分离包装，最后再采用真空打包，完全与空气中的水和氧隔离，可满足长期存放的需求。

6 结语

通过以上对生产加工细节的分析，在生产前就能对无氧铜材料加工条件进行有效的预判，提前规避了产品质量异常风险，同时在生产加工环节，对产品出现的质量问题能迅速采取有效的解决方案，使生产效率得到很大的提升，最终建立了一套完整的切削工艺，节约了大量的生产成本，大幅提升了批量生产无氧铜零件的效率。