結(jié)晶器薄銅板的刨削加工技術(shù)

殷 勇

（中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司， 陜西 西安 710201）

引言

結(jié)晶器是連鑄設(shè)備中的關(guān)鍵部件, 連鑄的過(guò)程首先是鋼液在結(jié)晶器內(nèi)由于冷卻水的急冷凝固成所需的截面形狀和一定厚度的坯殼，在引錠桿的拉動(dòng)下，拉出結(jié)晶器,形成連鑄坯。當(dāng)鑄坯拉出結(jié)晶器時(shí)，保證坯殼既不能被拉斷又要有高的生產(chǎn)效率。因此結(jié)晶器的性能對(duì)連鑄機(jī)的整體性能起著十分重要的作用。

板坯連鑄結(jié)晶器銅板是結(jié)晶器的核心零件。根據(jù)連鑄工藝的要求，結(jié)晶器銅板在200～500 ℃的范圍內(nèi)工作時(shí)，必須具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，寬板連鑄得到越來(lái)越多的使用，隨之而來(lái)的就是需要越來(lái)越大的結(jié)晶器銅板。在某公司承制的板坯連鑄設(shè)備的結(jié)晶器中，有一種寬邊銅板是該公司所生產(chǎn)的結(jié)晶器銅板中尺寸最大的，精度要求高，加工難度大[1]。

本文闡述了這種寬面銅板在BX2012 四米龍門銑刨上進(jìn)行刨磨削的加工技術(shù)。

1 工件簡(jiǎn)介

在該公司承制的板坯連鑄設(shè)備的結(jié)晶器中，有一種寬邊銅板（見(jiàn)圖1）是該公司所生產(chǎn)的結(jié)晶器銅板中尺寸最大的，精度要求高，加工難度大。

1.1 結(jié)晶器銅板參數(shù)

1）銅板尺寸3 580 mm×900 mm，厚度只有37 mm±0.10 mm。

2）兩個(gè)平面的表面粗糙度Ra＝3.2 μm，四周側(cè)面的表面粗糙度Ra＝6.3 μm。

3）平面度為0.05 mm。

4）材質(zhì)為鉻鋯銅（Cr-Zr-Cu）。

5）硬度（HB）為 125。

圖1 結(jié)晶器銅板零件圖（部分）

6）延伸率為18%。

7）熱導(dǎo)率為315 W/（m·K）（120 ℃）。

8）銅板結(jié)晶（工作）溫度為500 ℃。

9）銅板表面鍍Ni-Co 合金層。

1.2 工藝分析

結(jié)晶器是連鑄設(shè)備的關(guān)鍵部件，而板坯連鑄結(jié)晶器銅板又是結(jié)晶器的核心零件。連鑄過(guò)程首先是鋼液在結(jié)晶器內(nèi)通過(guò)冷卻水進(jìn)行急冷凝固成所需的截面形狀和厚度的坯殼，由引錠桿拉出結(jié)晶器形成連鑄坯。鑄坯拉出結(jié)晶器時(shí)，既要保證坯殼不能斷裂，又要具有較高的生產(chǎn)效率。根據(jù)連鑄工藝的要求，結(jié)晶器銅板需在200～500 ℃的范圍內(nèi)工作時(shí)要具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性。隨著連鑄技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，寬板連鑄得到廣泛應(yīng)用，因而結(jié)晶器銅板需求量也越來(lái)越多[2]。結(jié)晶器銅板加工難點(diǎn)為：

1）銅板圖紙要求平面度為0.05 mm，銅板尺寸大（1 450 mm×900 mm），厚度只有37 mm±0.10 mm，加工中易變形，平面度不易得到保證。

2）因結(jié)晶器銅板要求有很好的導(dǎo)熱性能，因此銅板材質(zhì)通常選用Cr-Zr-Cu，銅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)99%，故其線膨脹系數(shù)大，極易受溫度影響產(chǎn)生變形。

3）該材質(zhì)熱導(dǎo)率較大，加工中產(chǎn)生的熱量不易被冷卻液帶走，從而使工件溫度升高而產(chǎn)生變形。

4）該材質(zhì)有很高的延伸率，加工中不易斷屑。

2 工藝方案

針對(duì)上述工藝難點(diǎn)，制定如下加工方案：

1）要解決銅板加工中易變形的問(wèn)題，需嚴(yán)格控制切削用量，細(xì)化工序，進(jìn)行多工步加工。將刨工序分為粗刨、精刨、光整等不同的工步，根據(jù)不同的工步制定如下切削用量：刨削時(shí)要反復(fù)交替刨削工件的兩個(gè)大平面，來(lái)分散加工產(chǎn)生的應(yīng)力，并用橡膠錘進(jìn)行手工去應(yīng)力處理，防止因加工應(yīng)力集中而產(chǎn)生的變形。

2）解決在裝夾和吊運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的變形，需要使用專用工裝進(jìn)行裝夾和吊運(yùn)，防止工件因薄而大、剛性差而產(chǎn)生變形。產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，用尼龍繩起吊，起吊時(shí)工件大面垂直升降，放置時(shí)要垂直放置，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)表面墊毛毯保護(hù)。

3）解決銅板在刨工序加工中易發(fā)熱的問(wèn)題，須選用合適的冷卻液在加工中對(duì)工件進(jìn)行冷卻。

4）解決刨削過(guò)程中的斷屑問(wèn)題，需要選擇合理的刀具幾何角度。

確定了工藝方案，就可以進(jìn)行生產(chǎn)和技術(shù)準(zhǔn)備，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備，選擇在BX2012 型龍門刨床上進(jìn)行加工。BX2012 應(yīng)用廣泛，常用來(lái)加工大中型機(jī)器零件，尤其適用于加工各種水平面、垂直面、傾斜面及導(dǎo)軌面、T 形槽等。

3 加工準(zhǔn)備

3.1 設(shè)備的調(diào)整和維護(hù)

因工件加工周期較長(zhǎng)，所以要確保設(shè)備的可靠性，避免在加工過(guò)程中發(fā)生設(shè)備故障等意外情況。

確保機(jī)床潤(rùn)滑良好，經(jīng)常保持機(jī)床清潔；開(kāi)、停車時(shí)確保各手柄位置正確，開(kāi)動(dòng)機(jī)床前各個(gè)有關(guān)手柄都應(yīng)準(zhǔn)確地扳在所需要的位置上。工作臺(tái)的擋鐵在調(diào)整距離適當(dāng)后，必須緊固，以免發(fā)生事故；在工作中，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)床有異聲或不正常的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)停車，并通知機(jī)修工檢查和排除故障，以保證機(jī)床的正常運(yùn)行；調(diào)整機(jī)床間隙，保證必要的加工精度。

3.2 技術(shù)準(zhǔn)備

3.2.1 操作者的準(zhǔn)備工作

操作者應(yīng)仔細(xì)審閱零件圖，明確圖紙尺寸和工藝要求。

3.2.2 量具的準(zhǔn)備

準(zhǔn)備1 000 mm 卡尺、3 000 mm 卡尺，用于測(cè)量銅板長(zhǎng)度和寬度；準(zhǔn)備25～50 mm 千分尺，用于測(cè)量銅板厚度尺寸。

3.2.3 刀具的準(zhǔn)備

刀具是工業(yè)的牙齒，刨削加工是金屬切削加工中的一種。在此過(guò)程中，刨刀將起到重要的作用，刨刀的種類和用途有多種。其中：直頭刀刀桿呈直線形，剛性好，但當(dāng)切削力較大時(shí)，有扎刀現(xiàn)象，如圖2-1 所示；彎頭刀刀桿向左、向右或向后彎曲，向左和向右的彎頭刀用來(lái)加工特形表面（如T 形槽等），較常見(jiàn)的是向后彎曲的刀桿，如圖2-2 所示，在刨削過(guò)程中，當(dāng)受到較大的切削力時(shí)，刀桿向后彎曲變形不易扎刀。刀具按加工形式分有平面刨刀、寬刃刀、偏刀、切刀、樣板刀等；按走刀方向分有左右刨刀；按其結(jié)構(gòu)形式分有整體式、焊接式、機(jī)械夾固式、可轉(zhuǎn)位式刨刀等[3]。

圖2 直頭刨刀和彎頭刨刀（單位：mm）

刨刀的切削性能與其幾何參數(shù)和刀具切削部分材料有密切關(guān)系。根據(jù)工件特性，刃磨粗刨、半精刨和精刨時(shí)可使用普通合金刀具，其耐磨性好，可以保證工件的加工精度和加工效率。合理的刀具幾何參數(shù)是刨削質(zhì)量的保證，并可提高生產(chǎn)率、降低加工成本。根據(jù)試加工和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，刀具幾何角度選用原則是，前角增大，排屑順暢，切屑變形減小，切削溫度低。但前角不宜過(guò)大，否則刀具楔角減小，刀具宜受熱，熱容量減小，反而使切削溫度升高。主偏角減小，在切削深度不變的情況下，切削刃參加工作的長(zhǎng)度增大，刀具的刀尖角增大，刀頭的熱容量增加，能夠改善刀具散熱條件，降低切削溫度。

3.2.4 具體刀具及其幾何角度的選擇（這是四項(xiàng)工藝方案之一）

粗加工刨刀使用彎頭圓弧刨刀；半精加工和精加工使用彎頭平面刨刀，刨刀切削刃寬度為22～25 mm；粗刨刀前角角度為12°～18°，精加工前角20°～30°，后角角度為8°～12°，刃傾角為0°。

3.2.5 專用裝夾工作臺(tái)和專業(yè)卡緊裝置（如下頁(yè)圖3 所示）的準(zhǔn)備（這是四項(xiàng)工藝方案之二）

圖3 專用卡緊裝置

根據(jù)工件特性，需設(shè)計(jì)一套框式雙面夾具。刨削時(shí)，將一個(gè)框式夾具固定于刨臺(tái)上，其上裝夾工件，用專用卡緊裝置代替斜鐵和壓板在四周固定工件；吊裝時(shí)，將另一框式夾具覆蓋在工件的加工表面上，用把合螺栓緊固，形成一個(gè)將工件加固在中間的吊具，既穩(wěn)固又方便。為盡可能減小裝卡引起的變形，在壓緊工件時(shí)不允許使用加長(zhǎng)套筒，精刨時(shí)及光整時(shí)要去夾緊力小于粗刨工序。粗刨與精刨前將工件吊起，用橡膠手錘反復(fù)敲打15～20 min，以消除加工應(yīng)力。

3.2.6 切削液的選擇（這是四項(xiàng)工藝方案之三）

切削液具有冷卻與潤(rùn)滑功能。它的沖洗和揮發(fā)能帶走切削區(qū)大量的熱量，同時(shí)又能減小刀具與工件之間的摩擦，能有效降低切削溫度，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，降低加工表面的粗糙度。切削液一般可分為水溶液、乳化液和切削油三大類。其中：水溶液冷卻性能好，但潤(rùn)滑性能差；乳化液比熱容大、黏度小、流動(dòng)性好，具有良好的冷卻作用；切削油比熱小、黏度大、流動(dòng)性差、傳熱效果較差，但防銹性能好，有一定的潤(rùn)滑效果，可降低已加工表面的粗糙度。

通常，根據(jù)刀具材料，選用高速鋼刀具時(shí)，用切削液，用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，一般情況下不用切削液。但是，在本例中粗、精加工工序均需要使用冷卻液，原因是低速切削不會(huì)導(dǎo)致YT5 刀具因冷熱不均而使硬質(zhì)合金刀片碎裂，關(guān)鍵要降低切削溫度，減小變形。

3.2.7 粗、精加工與切削用量的合理選擇（這是四項(xiàng)工藝方案之四）

合理的切削用量才能保證加工質(zhì)量，同時(shí)準(zhǔn)備橡膠錘進(jìn)行手工去應(yīng)力處理（安排以鉗工作業(yè)為主，操作者主要精力放在機(jī)加工工序上）；半精刨后安排一次振動(dòng)時(shí)效，以消除加工中產(chǎn)生的應(yīng)力；精刨及光整時(shí)用銼刀在切入端進(jìn)行0.5 mm×45°的手工倒角，以減小加工時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。

粗刨時(shí)，選擇切削深度a＝1～2 mm、進(jìn)給量f=0.2-0.3 mm、切削速度 v=20～30 m/min；精刨時(shí)，選擇 a=0.1～0.25 mm、f=1/2～1/3 的刀刃寬、v＝5～10 m/min；光整磨削時(shí)，選擇 a＝0.05～0.1mm、f=1/2～1/3的刀刃寬、v＝4～9 m/min。

4 加工步驟

4.1 粗加工

粗加工的目的主要是，切除兩大平面加工余量、保證工件平整性，并以去除氧化皮即可為準(zhǔn)。裝夾時(shí)，以工件中間凸面為基準(zhǔn)，用黃銅皮墊實(shí)底平面；使用圓弧彎頭刨刀，分2 次進(jìn)行加工，每次都要翻動(dòng)工件，并進(jìn)行手工去應(yīng)力處理，仔仔細(xì)細(xì)清理工作臺(tái)面和專用裝夾平臺(tái)，邊切削邊使用冷卻液。

4.2 半精加工

半精加工的目的是為精加工創(chuàng)造良好條件，留較少的加工余量，保證工件的平面度，控制表面粗糙度值Ra在6.3～3.2 μm 之間，并為銑削加工做準(zhǔn)備。要求邊切削邊使用冷卻液。

1）半精刨37 mm 的兩大平面，留單邊余量1.5 mm。

2）使用冷卻液?？紤]到Cr-Zr-Cu 銅的硬度、切削性能、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等因素，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比，在刨工序中選用90%煤油＋10%硫化油進(jìn)行冷卻，現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)稱“9010 冷卻油”。其特點(diǎn)是：利用煤油的易揮發(fā)性，帶走混合液中刀具加工時(shí)產(chǎn)生的熱量；利用硫化油的潤(rùn)滑性，減小切削阻力，降低工件在加工時(shí)產(chǎn)生的熱量。

3）半精刨工序前后分3 次進(jìn)行，其中待銑削工序結(jié)束后，再進(jìn)行2.5 次精刨作業(yè)。最后1.5 次精刨是刨削銅板厚度尺寸為36 mm，以完成工件電鍍Ni-Co 鍍層工序前的鍍前尺寸，使表面粗糙度值達(dá)到 Ra3.2 μm。

4.3 精加工

精加工的目的是達(dá)到尺寸和表面粗糙度和平面度要求。

1）仔細(xì)清理工作臺(tái)面和專用裝夾具，準(zhǔn)備直頭寬刃精刨刀，以加強(qiáng)刨刀剛性，裝夾工件后，刨兩大平面的鍍層，以去除氧化皮為準(zhǔn)。

2） 刨周邊尺寸達(dá)到圖紙要求即900 mm+0.2 mm、3 580 mm±1.0 mm、粗糙度 Ra＝6.3 μm。

3）翻動(dòng)工件并進(jìn)行時(shí)效處理，并準(zhǔn)備磨頭，進(jìn)行磨削作業(yè)。

4）重新裝夾工件，磨削鍍層平面，至37 mm±0.1 mm 尺寸。磨削時(shí)的注意事項(xiàng)主要是保證鍍層厚度。采用碗形磨輪125 mm×45 mm×32 mm、磨料粒度為46#，干磨法。

5 結(jié)論

結(jié)晶器銅板加工是大件薄板型、低硬度、熱變形量大的有色金屬材料的加工成功例證。只要根據(jù)工件尺寸，設(shè)計(jì)專用簡(jiǎn)單實(shí)用的工藝裝備，指導(dǎo)操作者認(rèn)真準(zhǔn)備、合理裝夾、精心操作，在各個(gè)工步之間進(jìn)行有序翻動(dòng)工件、振動(dòng)時(shí)效處理，合理選擇切削用量，冷卻充分，薄板大型工件在普通機(jī)床上的加工變形問(wèn)題是完全可以得到解決的。這也為薄板特別是大型薄板工件的加工積累了經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，我公司加工的結(jié)晶器銅板，經(jīng)檢驗(yàn)，均完全達(dá)到圖紙要求。該方法特別適用于單件小批量的生產(chǎn)要求，可降低生產(chǎn)成本。