銅合金框架材料邊部毛刺控制的探討

朱國(guó)權(quán)， 王延輝， 石運(yùn)濤

(中鋁華中銅業(yè)有限公司， 湖北 黃石 435005)

銅合金框架材料邊部毛刺控制的探討

朱國(guó)權(quán)， 王延輝， 石運(yùn)濤

(中鋁華中銅業(yè)有限公司， 湖北 黃石 435005)

通過(guò)對(duì)650進(jìn)口圓盤縱剪刀軸系統(tǒng)存在的問(wèn)題及配刀方法的探討，提出了合理的刀軸調(diào)整及配刀模式，解決了影響剪切框架材料形成的邊部毛刺問(wèn)題。

圓盤剪； 刀軸； 配刀模式； 毛刺

0 前言

圓盤剪常用于剪切帶材邊部或?qū)拵Ъ羟袨槎鄺l窄帶，是銅帶加工過(guò)程中必不可少的設(shè)備之一。按用途和結(jié)構(gòu)分為切邊圓盤剪和分條圓盤剪，該設(shè)備的精度及工作狀況決定了帶材剪切質(zhì)量。中鋁華中銅業(yè)有限公司引進(jìn)的德國(guó)GEORG公司圓盤縱剪分切及包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線，主要用于剪切包裝高精度框架材料銅帶，是該公司在國(guó)內(nèi)第一臺(tái)銅合金分條圓盤剪，本文就該圓盤剪在刀軸及配刀模式等方面對(duì)造成的帶材邊部毛刺等質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了控制毛刺超標(biāo)的建議。

1 圓盤剪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圓盤剪是縱剪生產(chǎn)線的一個(gè)重要部份，其主要結(jié)構(gòu)大同小異，由刀座、刀軸、鎖緊及升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。GEORG公司圓盤剪不同之處在于鎖緊部分采用液壓螺母自動(dòng)鎖緊，有別于機(jī)械螺母鎖緊方式，其換刀自動(dòng)化程度較高，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圓盤剪設(shè)備技術(shù)參數(shù)：

剪切速度 0～400 m/min

剪切厚度 0.08～1.2 mm

剪切寬度 300～650 mm

刀軸直徑 ∮160 mm

刀片直徑 ∮250 mm

最多分切條數(shù) 43條

2 銅帶剪切原理

銅帶材在受拉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上下刀片以相同于銅帶材的速度做圓周運(yùn)動(dòng)，上下刀片的刃口距離隨刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)而逐漸減小，帶材被不斷切入而發(fā)生變形，經(jīng)過(guò)彈性變形、塑性變形及斷裂三個(gè)階段后被完全切開(kāi)。剪切原理分析圖見(jiàn)表1。

3 框架材料毛刺問(wèn)題案例

圓盤剪主要用于剪切C19200和C19400牌號(hào)框架材料，其作為集成電路的芯片載體，除內(nèi)在強(qiáng)度、導(dǎo)電性能以及導(dǎo)熱性能達(dá)標(biāo)外，外觀要求較為苛刻，表面光潔度Ra≤0.08(Rmax≤1),無(wú)劃痕，寬度公差精度±0.002 mm，特別是對(duì)邊部毛刺高度要求≤0.015 mm，個(gè)別客戶要求≤0.01 mm。

圖1 圓盤剪主要結(jié)構(gòu)

彈性變形階段上下刀刃與板帶接觸并擠壓,板帶產(chǎn)生彈性壓縮且有彎曲,同時(shí)板帶材料受力向兩側(cè)間隙擠壓趨勢(shì),隨著刀的靠近彎曲越嚴(yán)重,此時(shí)材料內(nèi)應(yīng)力未超材料彈性極限。塑性變形階段隨著刀刃擠壓力增大,超過(guò)板帶彈性極限,達(dá)到板帶屈服極限,產(chǎn)生塑性變形,形成光亮的剪斷區(qū)。由于側(cè)間隙的存在,極小部分材料存在彎曲拉伸,在刀刃處應(yīng)力較為集中,其最大應(yīng)力狀態(tài)超過(guò)材料的斷裂極限,出現(xiàn)小裂紋。斷裂階段當(dāng)上下刀刃交合切入深度最大時(shí),小裂紋擴(kuò)展至板帶內(nèi)部,在側(cè)隙合理均勻的情況下,上下裂紋重合,材料被分切開(kāi)來(lái)。

2009年～2010年中鋁華中銅業(yè)有限公司生產(chǎn)的框架材料產(chǎn)品每月均有邊部毛刺超標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 2009～2010年銅帶邊部毛刺超標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4 毛刺產(chǎn)生機(jī)理

毛刺是銅帶在切削力作用下產(chǎn)生晶粒剪切滑移、塑性變形，使材料被擠壓、撕裂，導(dǎo)致帶材表面或交界處出現(xiàn)的多余材料。框架材料毛刺在帶材邊部表現(xiàn)形式有高低起伏的連續(xù)狀和間斷狀，見(jiàn)圖2。

連續(xù)狀毛刺主要原因?yàn)榈毒唛g隙或重疊量配置不合理，間斷狀毛刺為刀軸交叉或崩刃造成。整條連續(xù)出現(xiàn)的毛刺往往在0.025～0.03 mm之間，間斷毛刺往往在0.03 mm以上。剪切毛刺產(chǎn)生的原因較多，以下僅從GEORG圓盤剪本身存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。

4.1 刀軸位置精度的影響

刀軸(圖3)作為圓盤剪的核心部件，其本身園跳動(dòng)、軸端面跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)、空間平行度、水平度精度及安裝精度直接影響剪切質(zhì)量。在機(jī)架閉合鎖緊的條件下，測(cè)量刀軸位置精度：上軸傳動(dòng)側(cè)外圓端部跳動(dòng)為0.003 mm，操作側(cè)0.01 mm；下軸傳動(dòng)側(cè)擺動(dòng)為0.008 mm，操作側(cè)0.025 mm；利用千分表固定在底部線性導(dǎo)軌上檢測(cè)刀軸偏擺趨勢(shì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)操作側(cè)軸端往出口端偏移0.03 mm，兩軸誤差0.02 mm，其余參數(shù)較為正常。檢查結(jié)果為兩刀軸存在交叉及不在同一平面等問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)生間斷狀毛刺有較大影響。

圖2 40倍光學(xué)放大鏡下毛刺

圖3 上下刀軸示意圖

4.2 刀具精度的影響

在刀軸精度及定位精度正常條件下，刀具精度顯得尤為重要，因此需考慮以下因素的影響：

(1)刀片是直接作用于帶材的工具，其厚度公差、平面度、平行度、表面銹蝕、崩刃等情況。

(2)調(diào)整墊片厚度公差過(guò)大、平面度、表面銹蝕情況

(3)復(fù)合橡膠環(huán)定位面平面度、表面清潔度、厚度公差等一系列硬件條件是否達(dá)標(biāo)都將直接影響剪切毛刺的產(chǎn)生。

經(jīng)過(guò)篩選發(fā)現(xiàn)，在用刀具中有崩刃、瓢曲、銹蝕、磕傷的刀具，體現(xiàn)在刀具平行度>0.001 mm、平面度>0.001 mm。

4.3 配刀模式的影響

配刀模式和選擇的刀具精度等級(jí)、材料性能有很大關(guān)系，如本身刀具精度為0.01 mm，欲剪切0.2 mm帶材，本身配刀間隙就0.02 mm，不可能剪切出無(wú)毛刺的產(chǎn)品。從成本角度考慮，采用精度等級(jí)為±0.0005 mm刀具，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配刀。配刀時(shí)選用的側(cè)間隙和重疊量是否合理也是影響毛刺產(chǎn)生的重要因素，當(dāng)上下軸肩基準(zhǔn)面偏差時(shí)，會(huì)出現(xiàn)間隙平均分配移位偏差，導(dǎo)致分條帶材一邊毛刺大，一邊毛刺小的狀況；由于積累誤差等原因，分切多條時(shí)操作側(cè)端容易產(chǎn)生超差毛刺。

5 控制毛刺超標(biāo)的途徑

5.1 刀軸位置精度調(diào)整

在經(jīng)過(guò)GEORG工程師使用精密儀器對(duì)下軸軸端的軸承定位孔進(jìn)行精密桁磨及選用耐鏗6 mm厚刀片試切未達(dá)理想效果后，2011年3月，從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)開(kāi)始自行嘗試調(diào)試刀軸到正常位置精度狀態(tài)，調(diào)整方法如下：

(1)將定位刀軸的活動(dòng)軸承座底部?jī)?nèi)側(cè)面調(diào)整墊塊減薄0.03 mm，將操作側(cè)刀座整體往入口側(cè)偏移0.03 mm，消除刀軸整體偏擺量。

昆明世紀(jì)金剛經(jīng)貿(mào)有限公司董事長(zhǎng)張彥輝說(shuō)，官渡區(qū)工商聯(lián)的凝聚力特別好，能實(shí)時(shí)關(guān)注到企業(yè)包括融資方面的困難和需求。就目前來(lái)講，民營(yíng)企業(yè)在融資難方面依然存在困難。下一步，希望區(qū)工商聯(lián)能夠加強(qiáng)協(xié)調(diào)和聯(lián)系，幫助民營(yíng)企業(yè)健康發(fā)展。

(2)調(diào)整上下移動(dòng)滑塊調(diào)整墊片，消除兩軸誤差0.02 mm，由于前期外方桁磨了下軸軸承座內(nèi)孔，刀軸軸承不至于轉(zhuǎn)動(dòng)困難。

(3)用水平儀檢測(cè)基準(zhǔn)刀軸水平度，再用量塊檢查兩軸間距離，復(fù)核兩軸上下平行度，如需調(diào)整，打開(kāi)升降機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器，單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)操作側(cè)軸承座，看光柵尺顯示下降或上升的數(shù)值合理后即可。

經(jīng)過(guò)精心調(diào)整，刀軸在機(jī)架鎖緊狀態(tài)下達(dá)到圓跳動(dòng)0.003 mm、刀軸端面跳動(dòng)0.005 mm、兩刀軸平行度0.005 mm、園刀片外端面跳動(dòng)0.01 mm的精度。

5.2 配刀模式

5.2.1 選用合適的刀具精度

由于框架材料比鋼板硬度軟，用戶毛刺高度要求較高，剪切難度較大，采用精度為±0.0005 mm的圓盤刀、調(diào)整墊片及橡膠隔離環(huán)，既可以保證框架材料剪切的質(zhì)量，已可以減少工具成本，通過(guò)前期使用效果來(lái)看，德國(guó) IKS- 5 mm刀具具有剛度好及精度高等優(yōu)點(diǎn)。

5.2.2 合理的配刀模式

在選用合適精度的刀具后進(jìn)行配刀，分切條數(shù)越多，越難控制剪切毛刺，上百片刀具疊在一起，會(huì)有累積誤差產(chǎn)生。為徹底消除累積誤差，采用配刀軟件SLAP，其意思是Slitting Line Assembly Program。在刀片、復(fù)合橡膠圈和調(diào)整環(huán)出廠時(shí)已對(duì)它們的厚度的正，零，負(fù)公差值作出“+”，“0”，“-”的標(biāo)記，并被輸入到計(jì)算機(jī)中。在配刀時(shí)，只需在計(jì)算機(jī)上輸入分條寬度及條數(shù)等參數(shù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)挑選那些能在一個(gè)基本單元內(nèi)“+”“-”抵消，總誤差盡可能為零的刀片，復(fù)合橡膠圈和調(diào)整環(huán)，并把它們的“0”，“+”，“-”和數(shù)量告訴配刀者，由配刀者根據(jù)軟件提示直接配刀，效率和精度大大提高。

5.2.3 側(cè)間隙控制

如圖4所示，每個(gè)剪切單元的寬度由4部分組成：2片圓盤剪刀片、上下刀側(cè)的間隙、復(fù)合橡膠隔離圈、調(diào)整環(huán)。在刀片、復(fù)合環(huán)、調(diào)整環(huán)精度保證的前提下，影響剪切毛刺的主要因素有刀片側(cè)間隙和上下重疊量。

圖4 剪切單元組成

側(cè)間隙往往和剪材料性能(屈服強(qiáng)度和韌性)、厚度有著非常密切的關(guān)系。通常情況下軟料側(cè)間隙要比硬料要小，主要是硬料塑性變形區(qū)小，剪切力更容易向剪切力方向傳遞，減小側(cè)間隙可以減少塑性變形區(qū)，毛刺可以得到有效改善，但側(cè)間隙過(guò)小會(huì)形成擠出的毛刺，過(guò)大會(huì)產(chǎn)生拉出的毛刺。通過(guò)實(shí)踐研究，從軟態(tài)到硬態(tài)的銅帶，側(cè)間隙可選擇其厚度的3%～25%，見(jiàn)表3。

表3 部分銅帶剪切常用間隙參考值

適中的水平間隙和過(guò)緊、過(guò)松間隙對(duì)剪切毛刺有不同程度的影響，見(jiàn)表4。

如剪切C19200牌號(hào)厚度0.381 mm銅帶，側(cè)間隙控制在0.015 mm，就可實(shí)現(xiàn)毛刺高度在0.01 mm內(nèi)，完全能達(dá)到用戶要求。

5.2.4 重疊量選擇

圓刀的垂直間隙即上下圓刀的重疊量。通常應(yīng)把重疊量給定最小，只要每條料都被切開(kāi)即可，有時(shí)出現(xiàn)傳動(dòng)側(cè)切開(kāi)操作側(cè)未切開(kāi)的現(xiàn)象，主要是刀軸平行度出現(xiàn)了問(wèn)題。

板帶材厚度從0.2～1.2 mm時(shí)，重疊量隨厚度增加而增加，約為料厚的1/4～1/2；厚度1.2 mm時(shí)，重疊量最大，約為0.6 mm。當(dāng)超過(guò)1.2 mm厚度時(shí)，重疊量隨厚度增加而減少。當(dāng)厚度達(dá)到約3 mm時(shí)，重疊量為零，達(dá)到3 mm以上時(shí)，重疊量為負(fù)間隙，即上下刀片互相離開(kāi)。

例如：厚度在0.2以下薄帶材，重疊量約為0.05～0.1 mm。若選擇重疊量過(guò)小，就會(huì)產(chǎn)生毛刺。選擇不合理的重疊量，會(huì)對(duì)橡膠環(huán)產(chǎn)生嚴(yán)重的擠壓，輕則影響橡膠環(huán)壽命(橡膠環(huán)延展永久變形)，重則會(huì)使刀軸彎曲、偏心，最后造成刀片水平間隙改變，這樣，帶材邊部產(chǎn)生毛刺更大。

表4 側(cè)間隙對(duì)毛刺影響比較

5.2.5 橡膠環(huán)尺寸控制

橡膠環(huán)外徑大小選擇也很關(guān)鍵，外徑不合理搭配會(huì)對(duì)帶材產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，使帶材剪切前產(chǎn)生一定變形量，從而使剪切過(guò)程中產(chǎn)生毛刺，尤其對(duì)于軟態(tài)料比較明顯。例如：剪切0.1 mm軟態(tài)帶材時(shí)，刀片外徑Φ250 mm，雌刀橡膠環(huán)為Φ250.1 mm，雄刀橡膠環(huán)為Φ250.3 mm；剪切0.6 mm軟態(tài)帶材時(shí)，刀片Φ249 mm，雌刀橡膠環(huán)為Φ248.7 mm，雄刀橡膠環(huán)為Φ250.3 mm，就可以實(shí)現(xiàn)帶材剪切毛刺最小。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理的刀軸調(diào)整及配刀模式，消除了影響毛刺超標(biāo)的軟硬件因素，實(shí)現(xiàn)了剪切框架材料毛刺高度始終保保持在≤0.015 mm內(nèi)的目標(biāo)，對(duì)于研究調(diào)試同類設(shè)備和其它軟硬態(tài)料剪切質(zhì)量控制具有一定借鑒意義。

[1] 鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2] 梁治明，丘侃.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1993.

[3] 鐘衛(wèi)佳.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

Study on Controlling the Side Burr of Electronic-frame Copper Alloy

ZHU guo-quan， WANG Yan-hui， SHI Yun-tao

(Chinalco Central China Copper Co., Ltd., Huangshi 435005, Hubei China)

Through the study on the problem of 650 slitting shaft system and selection of distribution method, this paper proposes the reasonable solution on adjusting cutter shaft and distribution mode, solving the side burr when slitting frame copper strip.

slitting shears； cutter shaft； distribution mode； burr

2013-10-21

朱國(guó)權(quán)(1972-)，男，貴州金沙人，工程師，大學(xué)本科，主要從事銅加工設(shè)備管理及機(jī)械技術(shù)工作。

王延輝(1984-)，男，河南洛陽(yáng)人，工程師，大學(xué)本科，主要從事機(jī)械技術(shù)工作。

TG146.11

B

1003-8884(2014)01-0020-06

石運(yùn)濤(1974-)，男，河南洛陽(yáng)人，技師，主要從事剪切技術(shù)工作。