精密儀器硅青銅薄板零件切削工藝

薄板零件已日益廣泛地應用在各類精密儀器中，因為它具有重量輕、節約材料、結構緊湊等特點。但薄板零件的切削加工是生產中比較棘手的問題，原因是薄板零件剛性差、強度弱，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。

1.零件結構特點及切削加工分析

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，平面度≤0.05mm，外形約為33 mm×57 mm，整體面積不大，但厚度面差異大，且厚度面上分布了6處φ mm及4處φ mm的孔，孔徑精度要求高，且各孔相對中心X、Y坐標定位精度均在±0.009mm以內，最高為±0.006mm。中間有兩處直徑為的臺階型通腔，其中一處位于零件邊緣（見圖1），孔位置尺寸見表1。

通過對零件結構及尺寸精度要求的分析，零件主要采用數控銑加工，但兩處直徑為的臺階型通腔加工后，會對厚度平面度產生影響，繼而會對位置精度要求很高的孔位產生影響。所以如何控制加工變形將是影響零件加工是否合格的關鍵。

2.工藝方案設計

（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脆性相，結晶溫度范圍小，力學性能較錫青銅高。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、鉆孔等機加工性能較好，加工表面光潔，適合高速加工。

（2）機床設備的選用。由于高速銑削采用高銑削速度，適當的進給量，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生的應力變形減小，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HERMLE C40U高速數控銑床加工，該機床具備高速、高速進給系統、高速CNC控制系統等，其最高主軸轉速能達到28 000r/min，能滿足高速銑削加工技術，且機床重復定位精度＜0.004mm，單從機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高速數控銑床實現高速銑削加工，選取選擇了安全性高、易切削和耐用度高的硬質合金刀。

同時結合加工的材料性質，銑削時選擇了DORMER S322 D3涂層硬質合金立銑刀，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定性都較平衡的得到了保證。

鉆孔時采用點孔、鉆孔、鉸孔三步進行，鉆孔采用DORMER R458 DR0.9、DR3.4涂層硬質合金鉆刀，鉸孔采用DORMER B400 DR1.0、DR3.5涂層硬質合金鉸刀。R458系列鉆刀的結構與S322銑刀結構相似，刃細柄粗的形式能保證鉆頭鉆孔的穩定性和精度。

（4）熱校平工藝的運用。為降低加工中平面度變化引起孔位精度破壞的情況發生，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到既釋放了切削應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晶溫度以下的適當溫度，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部各層纖維組織趨于一致，達到校平同時又消除加工應力的目的。

3.確定加工方案

根據零件的特點，并經多次實踐加工驗證，設計了以下具體工藝方案：備料→去應力時效→數銑→線切割→數銑→線切割→數控粗銑→熱校平→數控精銑→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，相應各邊多放出30mm余量。

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

（3）數銑銑一面。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，將本可以在數控銑床上進行的割邊緣余量放至切削力很小的線切割進行。與對比通過鋒利的刀具對零件進行切削的方式，電加工雖速度慢但精度好，徑向切削力幾乎可以忽略不計。

（5）數銑銑另一面，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）數控銑床粗加工兩處內腔尺寸，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0.05，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，可以保證下道精加工得要求，消除了上道的切削變形。

（9）精銑內腔及所有孔。通過高速銑削加工技術及編程刀路的優化控制，參數的合理選用和適合刀具的使用后零件的尺寸均達到設計要求，平面度也沒有產生變化。

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

4.關鍵工藝方法的運用分析

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

（1）確定合理的高速銑削參數。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，以達到對于加工質量最優、成本最低、效率最高的平衡點。

結合以往對相似材料零件的實踐加工經驗，再通過前期的試加工最終確定各道編程指令的主軸轉速、進給率、吃刀量的具體參數。表2為整個程序集和各種參數值。          

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

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量，由于切削載荷均勻，可以延長刀具和機床的使用壽命。為保持恒定的切削條件，主要采用順銑方式進行粗加工。在高速切削過程中采用順銑銑削方式，可以產生較小的切削熱，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軸方向切削連續的平面，即等高加工策略。每層切深為0.5mm，比常規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：在粗加工兩處內腔時前，在內腔中心鉆φ3.4mm的預孔，銑削進刀通過預孔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載恒定的重要條件，在NC程編中應盡量避免刀具路徑軌跡出現尖角，讓軌跡盡可能的光順，這樣可以提高工件表面加工質量。如圖6所示。

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

退刀時采用進給速率：在高速數控精加工中采用進給速率退刀可以減小切削載荷的瞬間變化。

（3）與線切割加工相結合控制變形。在前期試加工時，數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銑一同加工完成，但發現數銑割外形后平面度變形大，需要反復校平研磨后才能進行下道加工，費時費力，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力變形。而線切割是利用脈沖放電時的電火花腐蝕現象來進行尺寸加工，所用的工具是一個細長的鉬絲，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。

（4）利用熱校平控制零件平面度。數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生精度影響。通過使用模具進行熱校平，一是使平面度達到理想效果，二是可以消除粗加工產生的應力，為后續精加工打下良好基礎。熱校平的原理是將材料加熱到金屬再結晶溫度以下某個適當的溫度，這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，就能使板材內部的各層纖維組織趨于一致，達到校平的目的。

5.結語

通過對本項目硅青銅薄板的材料分析，切削刀具的選用，應力變化的預判等綜合因素的科學分析，確定上述加工工藝流程及在數控編程技術方面的優化和改進，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。