基于CAXA CAM 的薄片銅電極CNC 加工

馬 郡

（宿遷學院，江蘇 宿遷 223800）

在零件機械加工過程中，薄壁、薄板類的零件加工常常會由于內應力而引起翹曲、側彎和扭曲等形式的變形，嚴重影響了零件的加工質量及加工效率，在實際加工中難以達到設計的形位公差要求和加工精度，加工工藝較為繁復，需要注意的細節較多，實際操作也較為復雜，是銑削加工中比較棘手的問題[1]。

1 薄壁零件加工變形原因及解決途徑

1.1 變形原因

1）裝夾變形。工件裝夾時在橫向或徑向夾緊力的作用下會產生變形，影響其加工精度。

2）切削力。切削運動使材料的晶體顆粒間產生擠壓、拉伸、拉斷等現象，使晶體的原子間產生位移，形成不可恢復的塑性變形。

3）切削熱。切削過程產生的切削熱會引起工件的熱變形，使其形位誤差增大。

4）殘余應力。切削力和切削熱會使零件內部產生殘余應力，薄壁零件加工時材料去除量大，剩余部位剛度也不盡相同，殘余應力隨著時間緩慢釋放，就會產生一定的形變。

5）振動變形。切削過程中的振動也會引起變形，造成工件的加工誤差[2]。

1.2 解決途徑

隨著我國先進制造業的發展，采用CNC 數控加工的薄壁零件越來越普遍。為減少加工變形，提高加工精度，加工時要注意以下方面。

1）改進裝夾方式。利用專用夾具，合理選擇定位基準、裝夾位置及夾緊力，以避免變形的發生。

2）合理選用刀具。要求刀具精度高、強度大、剛度好、耐用度高，且尺寸穩定、安裝調整方便。

3）合理確定切削參數。減小切削力和切削熱引起的變形。

4）合理安排走刀路線和工序。分幾次走刀加工直到最后尺寸的路線，使工件加工后變形小。

2 薄片銅電極加工實例

薄片銅電極被廣泛用于制造注塑、壓鑄模具時產品的薄片，如發動機散熱片、電腦機箱散熱片及某些產品的電源散熱窗口等。其具體特點如下：結構簡單，頂部一般呈曲面形狀，壁高而薄，加工余量較大；材質為延展性強的銅和銅合金，但加工工藝性差，薄片易產生彎曲變形，對工藝方案、切削參數的設置等要求較高[3]。

以下以實際生產中常用的普通數控機床及CAXA 制造工程師軟件為例，說明其編程加工過程和方法。

2.1 零件圖樣

薄片銅電極外形如圖1 所示，薄片銅電極的外形尺寸為75mm×75mm×40mm，其中底部基準方臺部分高20mm，是校正和裝夾部分；方臺上排列4 個薄片電極，是直接加工部分；電極薄片的高度較大，最高點距方臺平面高度為20mm；薄片厚度較小為2mm，放電腐蝕加工出模具型腔中對應的深窄槽；薄片頂部的完全倒圓角曲面應采用球形刀精加工，精度公差為±0.025mm。

圖1 薄片銅電極外形（單位：mm）

2.2 裝夾與對刀

先校正機用平口鉗，將方形毛坯直接裝夾其上，夾持量為5mm 左右，然后進行四面分中、對刀，并設置工件坐標系等參數，做好加工準備。

2.3 刀具的選用

刀具直徑越大，加工時所產生的徑向切削力也大，在其他條件都滿足時，考慮到薄片易受力變形，宜選用直徑較小的刀具[4-5]；加工電極深度時要考慮刀具的材料和長度，以保證其具有足夠的強度，防止加工時引起刀具的徑向跳動，如進口鎢鋼刀，其抗彎剛度和韌性較好[5]。另外，刀具的刀刃要鋒利，以減小切削力。綜上考慮，該例選用φ10 平底端銑刀進行粗加工，選用φ4 銑刀進行薄片側面精加工。

2.4 切削用量的選用

CNC 加工中切削用量的合理選用意義重大。開粗時，首先，應選擇盡可能大的背吃刀量，以減少走刀次數；其次，選擇相對較大的進給量，有利于斷屑，減少刀具消耗，降低成本；最后，結合刀具耐用度確定合理的切削速度[6]。光刀時，要保證加工的質量，在此前提下提高效率，因此優先選取較小的背吃刀量和進給量，而切削速度要盡可能高，這是實現減小加工變形、提高加工質量和效率的基本前提。

2.5 編程加工方案

薄片電極的加工工藝、加工參數及加工順序直接影響加工效果。該例中加工工藝方案的整體思路如下：先粗加工基本外形，再精加工底部方臺側面和上表面，然后精加工薄片頂曲面，最后半精加工、精加工薄片側面。

1）薄片區域粗加工。開粗時要快速去除大部分余量，切削力較大，應留有足夠的加工余量，一般為1mm[5]。選用φ10 平底刀開粗，側邊留余量為1mm，底面留余量為0.2mm，主軸轉速為2 500r/min，進給速度為1 000mm/min，薄片背吃刀量為0.6mm。走刀方式采用環切加工，使薄片受力平衡，能有效減少變形。下刀方式選擇螺旋切入，如圖2所示。

圖2 薄片區域粗加工

2）基準方臺側面粗加工。上一步環切加工時，基準方臺上方的側面輪廓已被切削去除，這一步只需對基準方臺側面進行銑削加工[6]。選用φ10 平底刀進行輪廓加工，主軸轉速為2 500r/min，進給速度為1 000mm/min，側面余量為0.3mm，背吃刀量為1mm。

3）基準方臺側面精加工。基準方臺側面要為電極校正用，需要進行精加工[7]。選用φ10 平底刀進行輪廓加工，主軸轉速為2 500r/min，進給速度為800mm/min，側面余量為0。

4）基準方臺上表面精加工。選用φ10 平底刀，主軸轉速為2 500r/min，走刀速度為800mm/min。為防止刀具碰切到薄片側面，側面加工余量設為1mm，頂面余量為0。進刀點設為從工件外進刀。

5）薄片頂部圓角曲面精加工。因電極薄片較高，先加工薄片側面后加工頂曲面時會對電極產生沖擊荷載，易發生邊角脆性崩碎，故應先加工薄片頂部再加工側面[8]。

選用φ4R1.5 球頭刀，主軸轉速設為4 000r/min，進給速度為800mm/min。采用CAXA CAM 的參數線精加工的方式走刀，如圖3 所示，設定進刀點位于圓角曲面的角點，行距定義為殘余高度0.000 5mm，進行往復加工。由于銅電極被用于電火花機放電，需要留出放電時的火花加工間隙，加工余量應設為-0.1mm。

圖3 薄片頂部曲面精加工刀軌

6）薄片側面半精加工。選用鋒利的φ4 的平底端銑刀進行輪廓精加工，主軸轉速設為4 000r/min，走刀速度為800mm/min，加工余量為0.5mm。為了避免產生搶刀過切現象，每次下刀深度不能太大，每層切深僅取0.4mm，為了提高一定的效率，這時的轉速和進給速度則取高一些。抬刀選為否，因為在輪廓外下刀，已確定是在安全的空位下刀，所以不需要設定抬刀，以節約刀具空運行時間，提高效率[9]。

7）薄片側面精加工。同樣，考慮到電火花放電加工間隙，薄片的加工余量設為-0.1mm；每層加工深度取0.2mm，其余參數同2）、5）、6）。

3 結論

薄壁零件銑削加工工藝分析、加工順序和切削參數是保證加工質量的重要環節。為了控制和減小薄壁零件的切削變形，可優先選用轉速高、背吃刀量小、適中進給、環切走刀的加工方式。薄片電極作為典型的薄壁零件，采用上述方式加工可以保證尺寸精度，提高加工效率，也可為同類零件的加工提供參考。