結晶器薄銅板的刨削加工技術

殷 勇

（中鋼集團西安重機有限公司， 陜西 西安 710201）

引言

結晶器是連鑄設備中的關鍵部件, 連鑄的過程首先是鋼液在結晶器內由于冷卻水的急冷凝固成所需的截面形狀和一定厚度的坯殼，在引錠桿的拉動下，拉出結晶器,形成連鑄坯。當鑄坯拉出結晶器時，保證坯殼既不能被拉斷又要有高的生產效率。因此結晶器的性能對連鑄機的整體性能起著十分重要的作用。

板坯連鑄結晶器銅板是結晶器的核心零件。根據連鑄工藝的要求，結晶器銅板在200～500 ℃的范圍內工作時，必須具有良好的機械性能和導熱性。隨著連鑄技術的發展，寬板連鑄得到越來越多的使用，隨之而來的就是需要越來越大的結晶器銅板。在某公司承制的板坯連鑄設備的結晶器中，有一種寬邊銅板是該公司所生產的結晶器銅板中尺寸最大的，精度要求高，加工難度大[1]。

本文闡述了這種寬面銅板在BX2012 四米龍門銑刨上進行刨磨削的加工技術。

1 工件簡介

在該公司承制的板坯連鑄設備的結晶器中，有一種寬邊銅板（見圖1）是該公司所生產的結晶器銅板中尺寸最大的，精度要求高，加工難度大。

1.1 結晶器銅板參數

1）銅板尺寸3 580 mm×900 mm，厚度只有37 mm±0.10 mm。

2）兩個平面的表面粗糙度Ra＝3.2 μm，四周側面的表面粗糙度Ra＝6.3 μm。

3）平面度為0.05 mm。

4）材質為鉻鋯銅（Cr-Zr-Cu）。

5）硬度（HB）為 125。

圖1 結晶器銅板零件圖（部分）

6）延伸率為18%。

7）熱導率為315 W/（m·K）（120 ℃）。

8）銅板結晶（工作）溫度為500 ℃。

9）銅板表面鍍Ni-Co 合金層。

1.2 工藝分析

結晶器是連鑄設備的關鍵部件，而板坯連鑄結晶器銅板又是結晶器的核心零件。連鑄過程首先是鋼液在結晶器內通過冷卻水進行急冷凝固成所需的截面形狀和厚度的坯殼，由引錠桿拉出結晶器形成連鑄坯。鑄坯拉出結晶器時，既要保證坯殼不能斷裂，又要具有較高的生產效率。根據連鑄工藝的要求，結晶器銅板需在200～500 ℃的范圍內工作時要具有良好的機械性能和導熱性。隨著連鑄技術的創新發展，寬板連鑄得到廣泛應用，因而結晶器銅板需求量也越來越多[2]。結晶器銅板加工難點為：

1）銅板圖紙要求平面度為0.05 mm，銅板尺寸大（1 450 mm×900 mm），厚度只有37 mm±0.10 mm，加工中易變形，平面度不易得到保證。

2）因結晶器銅板要求有很好的導熱性能，因此銅板材質通常選用Cr-Zr-Cu，銅含量（質量分數）達99%，故其線膨脹系數大，極易受溫度影響產生變形。

3）該材質熱導率較大，加工中產生的熱量不易被冷卻液帶走，從而使工件溫度升高而產生變形。

4）該材質有很高的延伸率，加工中不易斷屑。

2 工藝方案

針對上述工藝難點，制定如下加工方案：

1）要解決銅板加工中易變形的問題，需嚴格控制切削用量，細化工序，進行多工步加工。將刨工序分為粗刨、精刨、光整等不同的工步，根據不同的工步制定如下切削用量：刨削時要反復交替刨削工件的兩個大平面，來分散加工產生的應力，并用橡膠錘進行手工去應力處理，防止因加工應力集中而產生的變形。

2）解決在裝夾和吊運過程中產生的變形，需要使用專用工裝進行裝夾和吊運，防止工件因薄而大、剛性差而產生變形。產品的運轉過程中，用尼龍繩起吊，起吊時工件大面垂直升降，放置時要垂直放置，運轉時表面墊毛毯保護。

3）解決銅板在刨工序加工中易發熱的問題，須選用合適的冷卻液在加工中對工件進行冷卻。

4）解決刨削過程中的斷屑問題，需要選擇合理的刀具幾何角度。

確定了工藝方案，就可以進行生產和技術準備，根據現場生產設備，選擇在BX2012 型龍門刨床上進行加工。BX2012 應用廣泛，常用來加工大中型機器零件，尤其適用于加工各種水平面、垂直面、傾斜面及導軌面、T 形槽等。

3 加工準備

3.1 設備的調整和維護

因工件加工周期較長，所以要確保設備的可靠性，避免在加工過程中發生設備故障等意外情況。

確保機床潤滑良好，經常保持機床清潔；開、停車時確保各手柄位置正確，開動機床前各個有關手柄都應準確地扳在所需要的位置上。工作臺的擋鐵在調整距離適當后，必須緊固，以免發生事故；在工作中，如果發現機床有異聲或不正常的現象時，應及時停車，并通知機修工檢查和排除故障，以保證機床的正常運行；調整機床間隙，保證必要的加工精度。

3.2 技術準備

3.2.1 操作者的準備工作

操作者應仔細審閱零件圖，明確圖紙尺寸和工藝要求。

3.2.2 量具的準備

準備1 000 mm 卡尺、3 000 mm 卡尺，用于測量銅板長度和寬度；準備25～50 mm 千分尺，用于測量銅板厚度尺寸。

3.2.3 刀具的準備

刀具是工業的牙齒，刨削加工是金屬切削加工中的一種。在此過程中，刨刀將起到重要的作用，刨刀的種類和用途有多種。其中：直頭刀刀桿呈直線形，剛性好，但當切削力較大時，有扎刀現象，如圖2-1 所示；彎頭刀刀桿向左、向右或向后彎曲，向左和向右的彎頭刀用來加工特形表面（如T 形槽等），較常見的是向后彎曲的刀桿，如圖2-2 所示，在刨削過程中，當受到較大的切削力時，刀桿向后彎曲變形不易扎刀。刀具按加工形式分有平面刨刀、寬刃刀、偏刀、切刀、樣板刀等；按走刀方向分有左右刨刀；按其結構形式分有整體式、焊接式、機械夾固式、可轉位式刨刀等[3]。

圖2 直頭刨刀和彎頭刨刀（單位：mm）

刨刀的切削性能與其幾何參數和刀具切削部分材料有密切關系。根據工件特性，刃磨粗刨、半精刨和精刨時可使用普通合金刀具，其耐磨性好，可以保證工件的加工精度和加工效率。合理的刀具幾何參數是刨削質量的保證，并可提高生產率、降低加工成本。根據試加工和實踐經驗，刀具幾何角度選用原則是，前角增大，排屑順暢，切屑變形減小，切削溫度低。但前角不宜過大，否則刀具楔角減小，刀具宜受熱，熱容量減小，反而使切削溫度升高。主偏角減小，在切削深度不變的情況下，切削刃參加工作的長度增大，刀具的刀尖角增大，刀頭的熱容量增加，能夠改善刀具散熱條件，降低切削溫度。

3.2.4 具體刀具及其幾何角度的選擇（這是四項工藝方案之一）

粗加工刨刀使用彎頭圓弧刨刀；半精加工和精加工使用彎頭平面刨刀，刨刀切削刃寬度為22～25 mm；粗刨刀前角角度為12°～18°，精加工前角20°～30°，后角角度為8°～12°，刃傾角為0°。

3.2.5 專用裝夾工作臺和專業卡緊裝置（如下頁圖3 所示）的準備（這是四項工藝方案之二）

圖3 專用卡緊裝置

根據工件特性，需設計一套框式雙面夾具。刨削時，將一個框式夾具固定于刨臺上，其上裝夾工件，用專用卡緊裝置代替斜鐵和壓板在四周固定工件；吊裝時，將另一框式夾具覆蓋在工件的加工表面上，用把合螺栓緊固，形成一個將工件加固在中間的吊具，既穩固又方便。為盡可能減小裝卡引起的變形，在壓緊工件時不允許使用加長套筒，精刨時及光整時要去夾緊力小于粗刨工序。粗刨與精刨前將工件吊起，用橡膠手錘反復敲打15～20 min，以消除加工應力。

3.2.6 切削液的選擇（這是四項工藝方案之三）

切削液具有冷卻與潤滑功能。它的沖洗和揮發能帶走切削區大量的熱量，同時又能減小刀具與工件之間的摩擦，能有效降低切削溫度，抑制積屑瘤的產生，降低加工表面的粗糙度。切削液一般可分為水溶液、乳化液和切削油三大類。其中：水溶液冷卻性能好，但潤滑性能差；乳化液比熱容大、黏度小、流動性好，具有良好的冷卻作用；切削油比熱小、黏度大、流動性差、傳熱效果較差，但防銹性能好，有一定的潤滑效果，可降低已加工表面的粗糙度。

通常，根據刀具材料，選用高速鋼刀具時，用切削液，用硬質合金刀具時，一般情況下不用切削液。但是，在本例中粗、精加工工序均需要使用冷卻液，原因是低速切削不會導致YT5 刀具因冷熱不均而使硬質合金刀片碎裂，關鍵要降低切削溫度，減小變形。

3.2.7 粗、精加工與切削用量的合理選擇（這是四項工藝方案之四）

合理的切削用量才能保證加工質量，同時準備橡膠錘進行手工去應力處理（安排以鉗工作業為主，操作者主要精力放在機加工工序上）；半精刨后安排一次振動時效，以消除加工中產生的應力；精刨及光整時用銼刀在切入端進行0.5 mm×45°的手工倒角，以減小加工時產生的沖擊力。

粗刨時，選擇切削深度a＝1～2 mm、進給量f=0.2-0.3 mm、切削速度 v=20～30 m/min；精刨時，選擇 a=0.1～0.25 mm、f=1/2～1/3 的刀刃寬、v＝5～10 m/min；光整磨削時，選擇 a＝0.05～0.1mm、f=1/2～1/3的刀刃寬、v＝4～9 m/min。

4 加工步驟

4.1 粗加工

粗加工的目的主要是，切除兩大平面加工余量、保證工件平整性，并以去除氧化皮即可為準。裝夾時，以工件中間凸面為基準，用黃銅皮墊實底平面；使用圓弧彎頭刨刀，分2 次進行加工，每次都要翻動工件，并進行手工去應力處理，仔仔細細清理工作臺面和專用裝夾平臺，邊切削邊使用冷卻液。

4.2 半精加工

半精加工的目的是為精加工創造良好條件，留較少的加工余量，保證工件的平面度，控制表面粗糙度值Ra在6.3～3.2 μm 之間，并為銑削加工做準備。要求邊切削邊使用冷卻液。

1）半精刨37 mm 的兩大平面，留單邊余量1.5 mm。

2）使用冷卻液?？紤]到Cr-Zr-Cu 銅的硬度、切削性能、線膨脹系數、熱導率等因素，經過反復對比，在刨工序中選用90%煤油＋10%硫化油進行冷卻，現場簡稱“9010 冷卻油”。其特點是：利用煤油的易揮發性，帶走混合液中刀具加工時產生的熱量；利用硫化油的潤滑性，減小切削阻力，降低工件在加工時產生的熱量。

3）半精刨工序前后分3 次進行，其中待銑削工序結束后，再進行2.5 次精刨作業。最后1.5 次精刨是刨削銅板厚度尺寸為36 mm，以完成工件電鍍Ni-Co 鍍層工序前的鍍前尺寸，使表面粗糙度值達到 Ra3.2 μm。

4.3 精加工

精加工的目的是達到尺寸和表面粗糙度和平面度要求。

1）仔細清理工作臺面和專用裝夾具，準備直頭寬刃精刨刀，以加強刨刀剛性，裝夾工件后，刨兩大平面的鍍層，以去除氧化皮為準。

2） 刨周邊尺寸達到圖紙要求即900 mm+0.2 mm、3 580 mm±1.0 mm、粗糙度 Ra＝6.3 μm。

3）翻動工件并進行時效處理，并準備磨頭，進行磨削作業。

4）重新裝夾工件，磨削鍍層平面，至37 mm±0.1 mm 尺寸。磨削時的注意事項主要是保證鍍層厚度。采用碗形磨輪125 mm×45 mm×32 mm、磨料粒度為46#，干磨法。

5 結論

結晶器銅板加工是大件薄板型、低硬度、熱變形量大的有色金屬材料的加工成功例證。只要根據工件尺寸，設計專用簡單實用的工藝裝備，指導操作者認真準備、合理裝夾、精心操作，在各個工步之間進行有序翻動工件、振動時效處理，合理選擇切削用量，冷卻充分，薄板大型工件在普通機床上的加工變形問題是完全可以得到解決的。這也為薄板特別是大型薄板工件的加工積累了經驗。近年來，我公司加工的結晶器銅板，經檢驗，均完全達到圖紙要求。該方法特別適用于單件小批量的生產要求，可降低生產成本。