■蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司 （江蘇 215400） 蔣涯濱

薄板零件已日益廣泛地應(yīng)用在各類(lèi)精密儀器中，因?yàn)樗哂兄亓枯p、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。但薄板零件的切削加工是生產(chǎn)中比較棘手的問(wèn)題，原因是薄板零件剛性差、強(qiáng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)及切削加工分析

圖1為用于固定精密儀器齒輪傳動(dòng)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1－0－0.06mm，平面度≤0.05mm，外形約為33mm×57mm，整體面積不大，但厚度面差異大，且厚度面上分布了6處φ1+0.01+0mm及4處φ3.5+0.012+0mm的孔，孔徑精度要求高，且各孔相對(duì)中心X、Y坐標(biāo)定位精度均在±0.009mm以?xún)?nèi)，最高為±0.006mm。中間有兩處直徑為φ3.5+0.018+0mm、φ3.5+0.021+0mm的臺(tái)階型通腔，其中一處位于零件邊緣（見(jiàn)圖1），孔位置尺寸見(jiàn)表1。

圖1 平板零件結(jié)構(gòu)和三維示意

表1 孔位置尺寸 （單位：mm）

通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)及尺寸精度要求的分析，零件主要采用數(shù)控銑加工，但兩處直徑為φ16+0.018+0mm、φ19+0.021+0mm的臺(tái)階型通腔加工后，會(huì)對(duì)厚度平面度產(chǎn)生影響，繼而會(huì)對(duì)位置精度要求很高的孔位產(chǎn)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(guān)鍵。

2.工藝方案設(shè)計(jì)

（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(qiáng)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(xiàn)脆性相，結(jié)晶溫度范圍小，力學(xué)性能較錫青銅高。此材料牌號(hào)中的Y表示硬度較一般的銅合金要高。因此總體來(lái)講此材料切削、鉆孔等機(jī)加工性能較好，加工表面光潔，適合高速加工。

（2）機(jī)床設(shè)備的選用。由于高速銑削采用高銑削速度，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向切削深度，因而銑削過(guò)程中刀具與工件擠壓摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力變形減小，同時(shí)銑削時(shí)大量的切削熱被切屑帶走，表面加工精度提高。選用德國(guó)產(chǎn)HERMLE C40U高速數(shù)控銑床加工，該機(jī)床具備高速、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等，其最高主軸轉(zhuǎn)速能達(dá)到28 000r/min，能滿(mǎn)足高速銑削加工技術(shù)，且機(jī)床重復(fù)定位精度＜0.004mm，單從機(jī)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(shù)控銑床實(shí)現(xiàn)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(zhì)合金刀。

同時(shí)結(jié)合加工的材料性質(zhì)，銑削時(shí)選擇了DORMER S322 D3（見(jiàn)圖2）涂層硬質(zhì)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(duì)于銑削變形影響就越小的因素，選擇了刃部直徑為D3mm的規(guī)格，刀柄直徑卻有D6mm直徑，同時(shí)刃長(zhǎng)短僅有12mm。這種臺(tái)階型的銑刀切削力和穩(wěn)定性都較平衡的得到了保證。

鉆孔時(shí)采用點(diǎn)孔、鉆孔、鉸孔三步進(jìn)行，鉆孔采用DORMER R458 DR0.9、DR3.4涂層硬質(zhì)合金鉆刀（見(jiàn)圖3），鉸孔采用DORMER B400 DR1.0、DR3.5涂層硬質(zhì)合金鉸刀。R458系列鉆刀的結(jié)構(gòu)與S322銑刀結(jié)構(gòu)相似，刃細(xì)柄粗的形式能保證鉆頭鉆孔的穩(wěn)定性和精度。

（4）熱校平工藝的運(yùn)用。為降低加工中平面度變化引起孔位精度破壞的情況發(fā)生，在粗、精加工過(guò)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(yīng)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（見(jiàn)圖4）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(dá)到既釋放了切削應(yīng)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(jié)晶溫度以下的適當(dāng)溫度，這時(shí)由于材料變形抗力隨溫度升高而急劇下降，通過(guò)施加很小的外力就能使板材內(nèi)部各層纖維組織趨于一致，達(dá)到校平同時(shí)又消除加工應(yīng)力的目的。

3.確定加工方案

根據(jù)零件的特點(diǎn)，并經(jīng)多次實(shí)踐加工驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了以下具體工藝方案：備料→去應(yīng)力時(shí)效→數(shù)銑→線(xiàn)切割→數(shù)銑→線(xiàn)切割→數(shù)控粗銑→熱校平→數(shù)控精銑→線(xiàn)切割。

（1）下料T3.5mm×90mm×110mm。考慮到后道工序中有兩次去除壓板壓緊緣處余量，相應(yīng)各邊多放出30mm余量。

圖2 S322 D3銑刀

圖3

圖4 熱校平夾具裝配

（2）熱處理去毛坯應(yīng)力時(shí)效。原始板料雖說(shuō)應(yīng)力較分散，但下料車(chē)間通過(guò)剪板機(jī)將大面積板料剪成所需要的尺寸時(shí)，會(huì)在毛坯邊緣產(chǎn)生切削應(yīng)力甚至邊緣處出現(xiàn)塌彎的現(xiàn)象。進(jìn)行熱處理去應(yīng)力時(shí)效可以有效去除剪切應(yīng)力。

（3）數(shù)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(cè)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(pán)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(jìn)行。

（4）線(xiàn)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(shù)控銑床上進(jìn)行的割邊緣余量放至切削力很小的線(xiàn)切割進(jìn)行。與對(duì)比通過(guò)鋒利的刀具對(duì)零件進(jìn)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(jì)。

表2 數(shù)控粗精加工程序及參數(shù)

（5）數(shù)銑銑另一面，與第3工序步驟相同。

（6）線(xiàn)切割割去未加工出的兩條邊，與第4工序步驟相同。

（7）數(shù)控銑床粗加工兩處內(nèi)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(cè)量了零件的平面度：大于0.05mm，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(cè)量平面度為0.02mm范圍內(nèi)，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(nèi)腔及所有孔。通過(guò)高速銑削加工技術(shù)及編程刀路的優(yōu)化控制，參數(shù)的合理選用和適合刀具的使用后零件的尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，平面度也沒(méi)有產(chǎn)生變化。

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

4.關(guān)鍵工藝方法的運(yùn)用分析

此零件加工主要采用高速銑削，并結(jié)合線(xiàn)切割加工和熱校平，來(lái)消除切削過(guò)程中應(yīng)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(yīng)措施。

（1）確定合理的高速銑削參數(shù)。高速銑削中并非速度越高就越好，而是通過(guò)對(duì)材料、刀具、精度的綜合考慮后，給出合適的切削參數(shù)，以達(dá)到對(duì)于加工質(zhì)量最優(yōu)、成本最低、效率最高的平衡點(diǎn)。

結(jié)合以往對(duì)相似材料零件的實(shí)踐加工經(jīng)驗(yàn)，再通過(guò)前期的試加工最終確定各道編程指令的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、吃刀量的具體參數(shù)。表2為整個(gè)程序集和各種參數(shù)值。

（2）優(yōu)化編程方式提高加工質(zhì)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(jìn)給量的不同數(shù)值。程編時(shí)改變加工策略，以創(chuàng)建有效、精確、安全的刀具路徑，從而得到預(yù)期的表面精度。以下是優(yōu)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(zhì)量，由于切削載荷均勻，可以延長(zhǎng)刀具和機(jī)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(jìn)行粗加工。在高速切削過(guò)程中采用順銑銑削方式，可以產(chǎn)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(zhì)量。

在工件余量不均勻的情況下，通常采用等高加工策略來(lái)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(xù)的平面，即等高加工策略。每層切深為0.5mm，比常規(guī)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(nèi)腔時(shí)前，在內(nèi)腔中心鉆φ3.4mm的預(yù)孔，銑削進(jìn)刀通過(guò)預(yù)孔Z軸方向直接移動(dòng)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(jìn)行，避免了平常采用的斜向下刀或多或少對(duì)零件表面的軸向會(huì)有一個(gè)沖擊力的問(wèn)題，如圖5所示。

保證刀具軌跡的平滑過(guò)渡：無(wú)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(fù)載恒定的重要條件，在NC程編中應(yīng)盡量避免刀具路徑軌跡出現(xiàn)尖角，讓軌跡盡可能的光順，這樣可以提高工件表面加工質(zhì)量。如圖6所示。

減少刀具的切入次數(shù)：在高速數(shù)控程編中常常選擇回路或者單向路徑切削，這是因?yàn)樵趽Q向時(shí)，機(jī)床必須立即停止（緊急降速）然后再執(zhí)行下一步操作，由于機(jī)床的加速局限性，容易造成時(shí)間的浪費(fèi)。因此，選擇單向的路徑切削模式來(lái)進(jìn)行順銑，盡可能的不中斷切削過(guò)程和刀具軌跡，減少刀具切入次數(shù)，獲得相對(duì)穩(wěn)定的切削過(guò)程。

退刀時(shí)采用進(jìn)給速率：在高速數(shù)控精加工中采用進(jìn)給速率退刀可以減小切削載荷的瞬間變化（見(jiàn)圖7）。

（3）與線(xiàn)切割加工相結(jié)合控制變形。在前期試加工時(shí)，數(shù)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(shù)銑一同加工完成，但發(fā)現(xiàn)數(shù)銑割外形后平面度變形大，需要反復(fù)校平研磨后才能進(jìn)行下道加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后采用線(xiàn)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(guò)旋轉(zhuǎn)的多刃刀具與工件材料直接接觸，通過(guò)切除擠壓等方式去除金屬材料，雖通過(guò)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(shì)必仍會(huì)造成應(yīng)力變形。而線(xiàn)切割是利用脈沖放電時(shí)的電火花腐蝕現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行尺寸加工，所用的工具是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的鉬絲，加工過(guò)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。

圖5 粗加工時(shí)進(jìn)刀

圖6 刀路軌跡優(yōu)化

圖7 退刀過(guò)程

（4）利用熱校平控制零件平面度。數(shù)銑粗加工兩處通腔后，平面度大于0.05mm，這對(duì)接下來(lái)精加工孔位會(huì)產(chǎn)生精度影響。通過(guò)使用模具進(jìn)行熱校平，一是使平面度達(dá)到理想效果，二是可以消除粗加工產(chǎn)生的應(yīng)力，為后續(xù)精加工打下良好基礎(chǔ)。熱校平的原理是將材料加熱到金屬再結(jié)晶溫度以下某個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟龋@時(shí)由于材料變形抗力隨溫度升高而急劇下降，通過(guò)校平模具兩面夾緊，就能使板材內(nèi)部的各層纖維組織趨于一致，達(dá)到校平的目的。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目硅青銅薄板的材料分析，切削刀具的選用，應(yīng)力變化的預(yù)判等綜合因素的科學(xué)分析，確定上述加工工藝流程及在數(shù)控編程技術(shù)方面的優(yōu)化和改進(jìn)，使得原來(lái)難以保證的薄板零件加工精度問(wèn)題得以較好解決。同時(shí)為今后此類(lèi)零件的加工提供了借鑒。