無氧銅精密零件加工分析

毛爽軍

（深圳市飛亞達(dá)科技發(fā)展有限公司，廣東深圳 518107）

0 引言

無氧銅材料具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，優(yōu)良的塑性，極好的冷加工性，被廣泛運(yùn)用在激光器封裝盒零件上。根據(jù)封裝盒零件圖樣的要求，內(nèi)腔體表面應(yīng)具有很高的光潔度，粗糙度要求為Ra0.8 μm以下，腔體內(nèi)的每一個尺寸精度及形位公差要求都很高，一般為5～7級。在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)設(shè)備、加工工藝、刀具、程序、夾具等多方面的原因，造成在零件表面質(zhì)量和尺寸無法達(dá)到圖樣要求，另外無氧銅屬于有色金屬，分子比較活躍，在各工序的生產(chǎn)環(huán)節(jié)極易氧化。本文以無氧銅封裝盒零件為例（如圖1），研究分析無氧銅材料的加工細(xì)節(jié)，總結(jié)出一套高效無氧銅零件的加工方法。

圖1 無氧銅封裝盒零件

1 表面質(zhì)量分析

1.1 表面粗糙度

通過對加工經(jīng)驗的總結(jié)，從以下5個因素來分析影響零件表面粗糙度原因。

1）機(jī)床穩(wěn)定性。機(jī)床的性能好壞對無氧銅的表面粗糙度至關(guān)重要，將主軸跳動值控制0.01 mm以內(nèi)，避免機(jī)床自身的跳動干擾產(chǎn)品表面粗糙度。其次，機(jī)床的周圍環(huán)境也對加工穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重的影響，如機(jī)床擺放位置的地基不穩(wěn)，或擺放在空心樓層，外部環(huán)境中的振動傳遞至床身而引起共振，破壞機(jī)床的平穩(wěn)加工，影響產(chǎn)品表面粗糙度。

2）工藝。制定合理的加工工藝，充分考慮零件的加工受力，在各工序中增加零件結(jié)構(gòu)剛度，減少零件加工變形，避免零件切削過程中產(chǎn)生表面振動波紋。

3）刀具。刀具選擇不合理、刀體材料不合適、剛性差是引起振動的主要原因之一。若選錯了刀具，會使刀具磨損加劇，引起切屑瘤、拉毛工件表面或打刀，引起振動，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。無氧銅材料硬度低，適當(dāng)增大刀具前角，使切削刃光滑銳利，減小切削時刀具前面的摩擦力，可同時抑制和避免切削瘤產(chǎn)生，降低徑向切削分力，降低零件表面粗糙度值。

4）冷卻潤滑[1]。良好的冷卻潤滑條件，能快速地沖走刀具切削加工中產(chǎn)生的熱量，當(dāng)潤滑條件不足時，刀具溫度增高，切屑粘在刀具螺旋槽內(nèi)無法正常排出，引起切屑打傷或拉毛產(chǎn)品表面，造成外觀零件缺陷。

5）工裝夾具。工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計及定位對零件加工影響很大，因工裝的剛性不足或與加工參數(shù)不匹配，在銑削轉(zhuǎn)角時會引起振動波紋[2]，增大了零件表面粗糙度。

1.2 表面異常情況

1.2.1 表面刀圈

1）隨機(jī)刀圈。通過總結(jié)隨機(jī)刀圈的產(chǎn)生原因有下列幾種情況：機(jī)床在切削運(yùn)動時，受周圍環(huán)境中的噪聲、振動的影響；機(jī)床自身剛性不足，工作臺傳動部件磨損；機(jī)床缺乏定期保養(yǎng)，工作臺護(hù)板縫隙中堵滿切屑，使工作臺運(yùn)動中產(chǎn)生爬行。這些隨機(jī)出現(xiàn)的干擾，破壞了機(jī)床的平穩(wěn)運(yùn)動，造成零件表面產(chǎn)生隨機(jī)刀圈。

2）固定刀圈。加工程序不合理，刀具切削路徑發(fā)生急轉(zhuǎn)彎、突然加速、減速，打破了機(jī)床的平穩(wěn)運(yùn)動，增加了刀具的抖動，在刀具路徑拐角處，留下明顯有深度的刀圈，針對拐角處固定位置的刀圈優(yōu)化加工程序，將拐角處刀路修圓，使機(jī)床在拐角和轉(zhuǎn)向時使用圓弧過渡的方式，平穩(wěn)地改變切削方向，從而避免在拐角處產(chǎn)生刀圈。

1.2.2 表面凸起

刀具的切削刃磨損，切削時對零件表面進(jìn)行擠壓，造成表面材料產(chǎn)生塑性變形，切削結(jié)束后材料回彈，會在零件表面兩刀路重疊之間形成凸起的刀紋。

1.2.3 面上坑點

無氧銅材料塑性好，如果切削時進(jìn)給速度過快，刀具在切削的同時就會扯掉零件表面材料，在已加工表面形成不規(guī)則的坑點，在滿足零件質(zhì)量要求的前提下，適當(dāng)降低進(jìn)給速度，避免產(chǎn)生表面坑點現(xiàn)象。

1.2.4 側(cè)壁過切

根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)了導(dǎo)致側(cè)壁過切的3種情況：1）刀具原因。粗加工刀具跳動太大，跳動值超過粗加工給銑加工的預(yù)留余量，導(dǎo)致精加工沒有切削量。2）機(jī)床原因。機(jī)床陳舊老化，靈敏性能差，工作臺在拐角轉(zhuǎn)向運(yùn)動時無法立即響應(yīng)，導(dǎo)致側(cè)面過切。3）程序原因。編程時將進(jìn)給參數(shù)設(shè)置太高，超過了機(jī)床的加工能力；粗加工程序給精加工程序預(yù)留余量過少，導(dǎo)致精銑加工沒有切削量，出現(xiàn)過切現(xiàn)象。通過試驗總結(jié)了無氧銅切削的刀具參數(shù)，如表1所示。

表1 無氧銅材料切深參數(shù)

1.2.5 側(cè)壁振刀

當(dāng)?shù)毒邉傂圆蛔銜r引起彈刀，導(dǎo)致零件側(cè)壁、孔壁的刀紋差，且在零件側(cè)壁打出有深度的凹坑。通過兩種途徑提高刀具剛度：1）減少刀具裝夾伸長量，提高刀具剛度；2）改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)增加剛度，以φ2.0立銑刀為例（如圖2），通過改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)，將立銑刀尾部刀刃改成避空桿，縮短刀具刃長，提高刀具剛度，降低振動。

圖2 φ2.0立銑刀改進(jìn)前后對比

2 銑削方式對表面質(zhì)量的影響

順銑加工：刀具旋轉(zhuǎn)時刀齒的運(yùn)動方向和刀具的進(jìn)給方向相同，機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)生的振動小，后刀面磨損較少，在精銑加工時有利于減小工件加工表面的粗糙度值，同時順銑也有利于排屑。

逆銑加工：刀具旋轉(zhuǎn)時刀齒的運(yùn)動方向和刀具進(jìn)給方向相反。加工時出會現(xiàn)打滑現(xiàn)象，使刀具后刀面磨損加快，降低刀具壽命，往往會造成無氧銅產(chǎn)品表面質(zhì)量不理想，普遍出現(xiàn)振動痕跡。

無氧銅加工通常采用順銑，粗加工和半精銑加工采用順逆銑結(jié)合加工，以提高加工效率為主，精銑加工以保證產(chǎn)品表面質(zhì)量為主，采用順銑加工。

3 無氧銅棱邊毛刺的控制

無氧銅硬度低、塑性好，加工后零件棱邊會粘細(xì)小的毛刺，零件去飛邊毛刺[3]工程巨大，需要很高的人工成本，通過對銑削方法進(jìn)行改進(jìn)，在產(chǎn)品加工中就直接對毛刺進(jìn)行控制與去除。

3.1 棱邊表面壓刀方法

在零件半精加工前，增加一次跟隨零件輪廓邊緣走刀，邊緣走刀程序依照零件輪廓深度抬高0.02 mm，平面方向切寬0.3～0.5 mm，提前去除輪廓邊緣的加工余量，然后再進(jìn)行半精加工。精加工前，也增加一次零件輪廓邊緣走刀，邊緣走刀程序依照零件輪廓深度抬高0.005 mm，平面方向切寬0.3～0.5 mm，然后再進(jìn)行精銑加工，通過兩次對零件輪廓邊緣的走刀，可以有效減少零件棱邊毛刺。另外，無氧銅材料塑性好，加工時容易將零件棱邊材料扯掉，造成棱邊缺損，對零件邊緣輪廓進(jìn)行走刀操作，能完全避免棱邊掉料現(xiàn)象。

3.2 重復(fù)空走法

受切削加工時切削力和擠壓力的影響，第一次精銑加工完畢后，已加工表面會有輕微的回彈，為了更好地提高尺寸精度，完全消除零件棱邊上的毛刺，同時也盡可能減少材料回彈量，二次運(yùn)行精銑加工程序可完全去除零件棱邊和各個死角毛刺，二次精銑也對零件表面起到了修光作用，能有效降低無氧銅的表面粗糙度。缺點是二次空走會增加加工時間，增加了生產(chǎn)成本。

4 特殊深孔加工

通常，在機(jī)械加工中，一般采用“長徑比”（即孔深L與孔徑dc之比值），描述孔的深度特征。長徑比大于5時稱為深孔，提高深孔孔壁表面質(zhì)量是無氧銅加工中最大難點之一。

4.1 深孔加工前準(zhǔn)備

特殊深孔加工應(yīng)選擇精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的加工設(shè)備，為了提高加工的穩(wěn)定性，針對零件的深孔結(jié)構(gòu)定制專用的鉆頭、銑刀、鉸刀，在滿足產(chǎn)品深度尺寸的條件下，盡可能降低刀具裝夾長度，增加刀具剛度。

由于深孔的結(jié)構(gòu)特性，冷卻液難以進(jìn)入到孔內(nèi)，導(dǎo)致加工過程中熱量無法散發(fā)出來，因此在加工前詳細(xì)考慮冷卻潤滑的條件，制定合理的加工工藝，同時機(jī)床加工轉(zhuǎn)速不宜過高，進(jìn)給量不宜過大，盡可能減少刀具加工熱量，避免刀具折斷、孔壁粗糙、孔壁扭曲變形等現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.2 深孔加工工藝路線

在無氧銅的深孔加工中，為了保證孔的垂直度，采用分段啄鉆加工的方式[4]，具體工藝路線如下：1）打定位。中心鉆打定位，確定孔的位置。2）鉆引導(dǎo)孔。使用刃長較短的鎢鋼鉆鉆出一定深度的引導(dǎo)孔，為后續(xù)鉆孔導(dǎo)向，防止鉆頭鉆斜。3）粗鉆孔。開粗鉆頭沿著引導(dǎo)孔采用啄鉆方式加工，將切削液帶入到孔底，對鉆尖部分進(jìn)行冷卻潤滑。4）半精鉆孔。運(yùn)用擴(kuò)孔銑刀對孔進(jìn)行半精加工，修正鉆孔導(dǎo)致的偏心，保證垂直度，為精鉸孔創(chuàng)造加工條件。5）鉸孔。最后采用鉸刀對深孔進(jìn)行精鉸孔，運(yùn)用鉸刀的高精度保證孔徑尺寸和孔壁表面粗糙度。

5 無氧銅預(yù)防表面氧化

無氧銅是單質(zhì)銅（Cu），在各個工序的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)車間環(huán)境中溫度與濕度不斷發(fā)生變化，它與空氣中的氧氣（O2）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成氧化銅（CuO），造成零件表面氧化。

5.1 短期保存

在無氧銅零件生產(chǎn)環(huán)節(jié)，受生產(chǎn)車間溫度變化和濕度變化的影響，當(dāng)前工序加工完畢后，立即清潔零件表面油污及雜質(zhì)，使用水基型防氧化液或防氧化切削油對零件進(jìn)行浸泡，與空氣中的水和氧隔離，可滿足短期內(nèi)預(yù)防氧化的效果。

5.2 長期保存

針對已經(jīng)加工完畢的成品零件，要求表面無任何氧化和腐蝕，由于交貨期或運(yùn)輸?shù)脑蚓筒荒懿捎萌魏谓橘|(zhì)去浸泡，將無氧銅零件用超聲波進(jìn)行精洗，完全去除表面油污與雜質(zhì)，再用干燥空氣進(jìn)行風(fēng)干，用宣紙進(jìn)行分離包裝，最后再采用真空打包，完全與空氣中的水和氧隔離，可滿足長期存放的需求。

6 結(jié)語

通過以上對生產(chǎn)加工細(xì)節(jié)的分析，在生產(chǎn)前就能對無氧銅材料加工條件進(jìn)行有效的預(yù)判，提前規(guī)避了產(chǎn)品質(zhì)量異常風(fēng)險，同時在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品出現(xiàn)的質(zhì)量問題能迅速采取有效的解決方案，使生產(chǎn)效率得到很大的提升，最終建立了一套完整的切削工藝，節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本，大幅提升了批量生產(chǎn)無氧銅零件的效率。