銅合金異形槽鏡面車削技術(shù)

孫雪松，李賀

貴州航天電器股份有限公司 貴州貴陽 550009

1 序言

隨著科技產(chǎn)品使用性能的提高及使用周期的延長，制造企業(yè)對零件尺寸精度、幾何公差及表面質(zhì)量等提出了更高的要求。在超精密加工中，為了保證零件的表面粗糙度，大部分采用磨削加工技術(shù)。但是銅合金屬于有色金屬，其材料特性決定了不宜采用磨削加工，適宜采用車床進行車削加工。通過分析零件表面粗糙度高的原因，結(jié)合實際加工經(jīng)驗，總結(jié)出一套降低零件表面粗糙度值的車削方法。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

圖1 銅合金零件結(jié)構(gòu)

某型號銅合金零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)設(shè)計要求，V形槽與內(nèi)圓同軸度要求φ0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.2μm，材料為黃銅H62，該材料有良好的力學(xué)性能，塑性好，車削性能良好，但有粘刀性。目前，我公司現(xiàn)有加工能力是零件的表面粗糙度值只能達到Ra=0.8μm，不能滿足設(shè)計要求。因此需要對V形槽的加工技術(shù)進行深入研究，探索出合適的加工方式，以滿足生產(chǎn)要求。

3 加工方案

3.1 鏡面加工技術(shù)車削成形

（1）刀具 目前，工廠所采用的刀具材料主要是硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金是將鎢鈷類（WC）、鎢鈷鈦（WC-TiC）、鎢鈦鉭（鈮）鈷（WC-TiC-TaC）等難熔金屬碳化物，用金屬黏結(jié)劑Co（鈷）或Ni（鎳）等經(jīng)粉末冶金方法壓制燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱及耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，可用于加工有色金屬。在加工銅合金V形槽時可用于粗加工。

在有色金屬鏡面加工領(lǐng)域，金剛石刀具是比較常用的一種。金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)率及低熱膨脹系數(shù)等特性，與有色金屬親和力小，加工中不易產(chǎn)生積屑瘤。此外，由于金剛石彈性模量大，切削時切削刃鋒利，刃部變形小，對所切削的有色金屬擠壓變形小，可使切削過程在小變形下完成，從而可以提高零件的表面加工質(zhì)量。金剛石刀具主要有薄膜涂層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結(jié)刀具和單晶金剛石刀具。某銅合金零件V形槽，角度為60°，為避免加工時干涉，需要對刀具角度的選擇進行研究?？紤]到加工成本以及試驗便利性，采用機夾刀具。如圖2、圖3所示，采用35°、45°刀片，以兩種固定方式進行試驗。

圖2 35°刀片

圖3 45°刀片

（2）加工參數(shù) 加工參數(shù)直接影響表面粗糙度，在鏡面加工中，刀具進給量減少到一定值以下時，主軸轉(zhuǎn)速將成為影響表面粗糙度的主要因素。在保持主軸轉(zhuǎn)速不變時，車削深度小于某值時，表面粗糙度迅速增大，而大于此值時，表面粗糙度呈現(xiàn)近似線性增大趨勢，這就需要為特定的材料找到最適當(dāng)?shù)那邢魃疃?。因此，需要選擇不同的工藝參數(shù)進行試驗驗證。

3.2 采用布輪拋光技術(shù)加工V形槽

目前，我公司加工的導(dǎo)電環(huán)V形槽表面粗糙度值只能達到Ra=0.8μm。為使表面粗糙度值達到Ra=0.2μm，可對其進行拋光，用布輪、等離子對黃銅進行拋光。

布輪拋光，就是用布做成輪式用來拋光。拋光輪的硬度以縫合線的距離來決定，縫合線距離越小，拋光輪的硬度越高。拋光輪可分為非縫合式整布輪、風(fēng)冷布輪和縫合式布輪。非縫合式整布輪多用細(xì)軟棉布制成，宜拋光形狀復(fù)雜工件，或用于小型工件的精拋光。風(fēng)冷布輪采用45°角線裁法，呈環(huán)形皺褶狀，中間裝有金屬圓盤，具有通風(fēng)散熱的特點，宜拋光大型工件?？p合式布輪多用粗布、無紡布及細(xì)平布等制成，縫合線可采用同心圓式、螺旋式及直輻射形式，宜拋光各種鍍層及形狀較簡單的工件。拋光銅合金時，常用的布輪圓周速度為22～30m/s，對于本次研究的導(dǎo)電環(huán)V形槽，具體加工參數(shù)需要進行試驗。

3.3 電解質(zhì)等離子拋光

（1）電解質(zhì)等離子拋光研究 等離子拋光是工件與拋光液中通電脫離的金屬離子吸附在工件表面，工件凸起處受電流沖擊而去除，電流流動，使凹凸不斷變化，零件表面逐漸被整平。該技術(shù)可以有效地提高零件的表面質(zhì)量。

（2）影響因素 對于等離子拋光，影響表面拋光質(zhì)量的因素有：溶液溫度、加工時間、溶液濃度、下潛深度及溶液流速等。目前我公司有等離子拋光設(shè)備，可根據(jù)相關(guān)影響因素進行試驗。

本次攻關(guān)的導(dǎo)電環(huán)V形槽尺寸較小，需要制作夾具進行固定，且為了保證整個零件拋光的一致性，還需根據(jù)設(shè)備情況進一步改造，旋轉(zhuǎn)零件，使圓環(huán)各個方向拋光到位。

4 確定加工方案

方案一為車削加工主要研究刀具，其加工參數(shù)可通過機床選定，工藝較為方便。

方案二為布輪加工，可參考經(jīng)驗較少，且零件V形槽尺寸較小，不易裝夾加工。

方案三為等離子拋光加工，這是較為先進的技術(shù)，可將公司的設(shè)備充分利用起來，但是該方案為保證整個圓環(huán)拋光的一致性，存在夾具制作較困難的問題，且需要對拋光參數(shù)進行大量的試驗。

綜合分析，確定采取方案一。

本次研究的主要目的是使銅合金V形槽的表面粗糙度值達到Ra=0.2μm的鏡面效果。在有色金屬鏡面加工領(lǐng)域，金剛石刀具有較為優(yōu)良的特性，在項目實施過程中，對行業(yè)較為先進的鏡面車削技術(shù)進行了調(diào)研，與刀具廠家共同研究分析，定制合適刀具進行加工試驗。加工試驗主要從刀具進給量、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度以及編程加工方式進行。結(jié)合零件材料黃銅H62以及鏡面加工理論，找到最優(yōu)參數(shù)，達到零件表面粗糙度值Ra=0.2μm的鏡面加工效果，并根據(jù)探索出的參數(shù)進行批量生產(chǎn)驗證。

4.1 鏡面加工刀具調(diào)研

根據(jù)加工方案，對鏡面加工刀具進行調(diào)研。零件加工表面粗糙度，除了受加工參數(shù)、車刀主偏角和副偏角影響外，刀具的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)也是一個重要的影響因素。

PCD（聚晶金剛石）材質(zhì)的切削刃由許多微細(xì)晶體構(gòu)成，在加工過程中，超微顆粒的刀具有助于減小零件表面粗糙度值。

本次攻關(guān)零件的V形槽角度為60°。為避免加工干涉，并滿足多種加工方式的試驗，選擇MVVNN對稱刀柄，同時考慮到加工成本以及試驗便利，采用機夾刀具。

經(jīng)過調(diào)研分析，選用京瓷超微粒PCD金剛石刀片進行試驗，刀片型號為VBMT110301NE KPD001，刀尖角度為35°，刀尖R=0.1mm，如圖4所示。

圖4 京瓷刀片

超微粒P C D金剛石保證了刀尖強度、耐磨損性、抗崩損性（韌性）以及鋒利性等，可實現(xiàn)穩(wěn)定、長壽命加工。

4.2 加工試驗

根據(jù)影響表面粗糙度的相關(guān)加工參數(shù)，進行分組試驗，主要從編程加工方式、主軸轉(zhuǎn)速、進給量和切削深度進行驗證。

（1）V形槽類零件的常用加工方式 車間加工V形槽常用的編程加工方式有走軌跡式和成形刀直接加工的方式。成形刀直接加工具有加工效率高的特點，但加工出來的零件表面粗糙度較差，而且容易損壞刀具。走軌跡加工，具有零件加工表面一致性好，零件受軸向力較小，以及能有效保證零件同軸度的特點。因此，本次試驗編程加工方式采用走軌跡式。

（2）分組試驗 ①首先考慮到在初步確定加工參數(shù)試驗中對金剛石刀具的保護，先加工圓柱面來摸索合適的加工參數(shù)。加工圓柱表面，如圖5所示，已達到鏡面效果。②按初步確定加工參數(shù)進行零件試加工。在試驗加工過程中，在厚度較大的圓柱中加工V形槽，當(dāng)零件厚度尺寸減小到0.8mm時，出現(xiàn)刀加工痕跡問題，如圖6所示。初步分析認(rèn)為是零件邊緣壁厚過薄而發(fā)生振動導(dǎo)致的，因此，在后續(xù)試驗中逐步減小背吃刀量與進給量，增加轉(zhuǎn)速。③根據(jù)上述出現(xiàn)的問題進行改進后，V形槽加工表面得到了較大改善，但是仍存在斑點，如圖7所示。

圖5 加工圓柱面

圖6 刀加工痕跡

圖7 表面斑點

對多個零件進行觀察分析，發(fā)現(xiàn)斑點出現(xiàn)的形狀、位置并不規(guī)律，經(jīng)過對加工路徑、參數(shù)的分析，且考慮金剛石刀尖在粗加工時受到磨損，選擇硬質(zhì)合金刀具重新校車、編程進行粗加工。預(yù)留5mm加工余量，再使用金剛石刀具進行精加工，選擇主軸轉(zhuǎn)速1200r/min、進給量0.03mm/r，進行加工試驗。零件V形槽表面光滑無斑點，刀痕均勻，達到了鏡面效果（見圖8），批量加工一致性好，經(jīng)檢測，表面粗糙度值達到Ra=0.0638μm，如圖9所示，滿足要求。

圖8 鏡面效果

圖9 粗糙度檢測報告

5 結(jié)束語

通過上述多次零件加工試驗，零件表面粗糙度受刀具、加工參數(shù)的影響很大。在驗證中，對V形槽結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，并改進刀具與加工參數(shù)的組合，最終V形槽表面達到鏡面效果。在批量加工中，零件尺寸精度穩(wěn)定，表面質(zhì)量一致性好，達到攻關(guān)目標(biāo)。選用超微粒PCD金剛石刀具以及MVVNN對稱刀柄，通過試驗研究，確定了鏡面加工參數(shù)，該參數(shù)以及加工思路還可以擴展應(yīng)用到其他需要達到鏡面效果的零件上。