基于PowerMILL硬鋁青銅合金數(shù)控銑削加工技術(shù)的研究

陳曉生，馮亞坤

（珠海格力精密模具有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

人類(lèi)對(duì)于鋁青銅的研究始于20世紀(jì)初，由于其優(yōu)秀的耐海水腐蝕性能，已廣泛應(yīng)用于海洋工業(yè)軍事領(lǐng)域。但是，因鋁青銅合金與傳統(tǒng)模具用鋼（例如45鋼、Cr鋼）在力學(xué)性能上的巨大差異，在模具制造行業(yè)尚屬于新興材料。硬鋁青銅合金作為機(jī)械加工領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料，其含Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%，一般分為簡(jiǎn)單鋁青銅（即二元Cu-Al）和復(fù)雜鋁青銅（即以銅鋁為基，添加Fe、Ni、Mn、Zn等元素的多元銅合金），由于簡(jiǎn)單鋁青銅硬度、屈強(qiáng)比、耐磨性等性能的不足，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。目前研究及使用的均為復(fù)雜鋁青銅材料，這種合金因具有良好的綜合力學(xué)性能及耐磨耐蝕性而得到廣泛應(yīng)用[1]。

正是因?yàn)殇X青銅的高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性使得其脆性明顯高于其它模具用鋼，材料延展性也非常不好，若按普通碳鋼材質(zhì)加工參數(shù)及編程工藝策略用于該新型材料的加工，在加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生邊角崩裂、塌陷等異常加工現(xiàn)象[2]。下面將提供一種基于PowerMILL鋁青銅合金的銑加工編程方法。

2 硬鋁鋁青銅合金的加工刀具選用

硬鋁青銅合金高硬度、材料延展性差，除了數(shù)控加工中心機(jī)床要有足夠的機(jī)床剛性和理想的散熱系統(tǒng)以外，還要匹配合適的加工刀具。過(guò)高硬度的合金刀具往往都會(huì)做鈍化處理，此類(lèi)刀具實(shí)際加工鋁青銅合金時(shí)，刀具加工壽并不理想，除了零件棱邊容易豁口外，刀具刃口也會(huì)在加工短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)豁口現(xiàn)象，顯然并不太適合鋁青銅合金的加工。通過(guò)對(duì)材料的試切，發(fā)現(xiàn)使用K10或K20硬質(zhì)合金做的合金銑刀較為適合加工鋁青銅合金，且加工時(shí)還要使用液態(tài)冷卻輔助散熱。

3 硬鋁鋁青銅合金的銑削加工工藝

（1）裝夾方式的確定。

與45鋼、Cr鋼不同的是，硬鋁青銅合金無(wú)導(dǎo)磁性，所以在加工時(shí)不能用吸磁盤(pán)或?qū)Т艍K的方式固定工件，對(duì)于滿(mǎn)足虎鉗夾持的零件，一般采用夾虎鉗的方式固定，如果工件大小超過(guò)虎鉗的行程，則選用鎖底板的方式。鎖底板類(lèi)零件加工，顧名思義，第一步便需要加工鎖底板工藝螺紋孔，可自主判斷工件特點(diǎn)，利用工件原吊裝孔、線(xiàn)割特征、槽類(lèi)特征等區(qū)域設(shè)計(jì)工藝孔，如無(wú)合適區(qū)域，則聯(lián)系設(shè)計(jì)員增加鎖模工藝螺紋孔，螺紋孔的規(guī)格優(yōu)先選為M12mm或M16mm，建議在編程之前導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)底板以確定工藝孔的具體位置，防止工藝孔位置太隨意導(dǎo)致不能和標(biāo)準(zhǔn)底板相對(duì)應(yīng)的異常發(fā)生。需要注意的是，加工工件如有卸料特征，最終卸掉的呆料區(qū)域也要加工工藝孔固定在底板上，防止加工過(guò)程中呆料移動(dòng)造成刀具或工件的損壞如圖1所示。

圖1 鎖底板示意圖

（2）過(guò)數(shù)方式的選定及外形銑削加工刀路的編制。

與45鋼或Cr鋼不同的是，一般設(shè)計(jì)員在采購(gòu)鋁青銅合金時(shí)都是訂制毛料（訂精料加工費(fèi)用貴，性?xún)r(jià)比低），此時(shí)供應(yīng)商供料會(huì)在訂料尺寸長(zhǎng)寬高方向留有3～4mm的余量，所以，在這種來(lái)料工況下，加工時(shí)，單碰基準(zhǔn)邊的過(guò)數(shù)方式不適用于鋁青銅合金的加工。

通常，加工第一面時(shí)，XY方向以模板的最大外形分中過(guò)數(shù)，Z方向以工件頂面取數(shù)，而鋁青銅坯料屬毛料，頂面與底面并非為水平面，因此編程員需在加工單上指示Z方向以實(shí)際來(lái)料頂面的最低點(diǎn)取數(shù)，編程時(shí)單獨(dú)產(chǎn)生一條飛面程序，讓加工坯料的頂面見(jiàn)光后才能繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)加工，如圖2所示。

圖2 PowerMILL下光面刀路示意圖

然后去除外形全周多余的材料，即粗銑工件外形全周。銑加工硬鋁青銅材料零件外形時(shí)必須要使刀具旋轉(zhuǎn)方向與切削前進(jìn)方向保持一致，使銑削接觸面呈擠壓式銑削，這樣可以有效確保硬鋁青銅材質(zhì)工件外形直（銳）角邊不會(huì)出崩口、塌角等異?，F(xiàn)象，如圖3所示。工件外形粗銑加工后，還要有精加工刀路，以保證外形的垂直度和精度以供第二面加工時(shí)過(guò)數(shù)和校平用。

圖3 外形銑削刀軌示意圖

加工第二個(gè)面時(shí)，為保障加工后工件的精度要求，定義編程程序的加工坐標(biāo)時(shí)，XY方向需以第一面加工過(guò)的外形分中過(guò)數(shù)，Z方向則以工件底面再降0.3mm為0（作為預(yù)留的研磨余量），以面銑削的方式去除多余的厚度方向的來(lái)料余量，為防止邊角崩方，如圖4所示，需要先沿工件外形輪廓順時(shí)方向銑削一個(gè)輪廓刀路，如圖5所示，再進(jìn)行大面積厚度余量去除。

圖4 未進(jìn)行輪廓預(yù)銑造成的邊角塌方

圖5 輪廓刀路加工示意圖

（3）鉆孔刀路及注意事項(xiàng)。

硬鋁青銅合金由于材料無(wú)具延展特性，在鉆孔加工時(shí)不會(huì)像普通模具鋼材那樣產(chǎn)生流動(dòng)的帶狀屑，應(yīng)此要注意保持良好的排屑狀態(tài)。選用加工鉆頭時(shí)，應(yīng)盡量使用鑲硬質(zhì)合金鉆或整體硬質(zhì)合金鉆，鉆孔加工時(shí)，孔特征的底部不可以處于懸空狀態(tài)，否則加工件通孔的出口處會(huì)出現(xiàn)材料破損塌口等加工異常，如圖6所示。應(yīng)當(dāng)在加工工件下方平置鋼板或鋁板作為支撐，又或者對(duì)同直徑通孔采用兩面對(duì)鉆方式加工，對(duì)于深孔加工，應(yīng)要采用鉆深鉆策略，利用一鉆一抬的退刀方式排屑，加工時(shí)應(yīng)使用水溶性冷卻液，這樣才可以有效保證孔口部的完整無(wú)損，如圖7所示。

圖6 底部懸空鉆孔加工實(shí)況

圖7 同直徑對(duì)鉆和底部有支撐鉆孔效果

鉆孔注意事項(xiàng):

a.禁止懸空鉆通孔，采用底板平置或分兩面對(duì)鉆接通的方式加工，防止加工孔口部材料破損塌裂現(xiàn)象。

b.螺紋底孔的加工尺寸應(yīng)稍大于國(guó)標(biāo)孔徑，具體如表1所示。

表1 螺紋底孔加工尺寸 mm

4 結(jié)論

隨著機(jī)械制造行業(yè)地蓬勃發(fā)展，新型材料的不斷引進(jìn)將會(huì)變得司空見(jiàn)慣，根據(jù)這種新型材料的物理化學(xué)特性，快速制定高效適用的加工工藝在未來(lái)制造行業(yè)的人才競(jìng)爭(zhēng)中將會(huì)顯得至關(guān)重要，只有不斷提升技能水平，拓寬知識(shí)層面，開(kāi)闊學(xué)術(shù)眼界，才能跟隨著制造行業(yè)的高速發(fā)展而前進(jìn)。