無氧銅精密零件加工分析

毛爽軍

（深圳市飛亞達科技發展有限公司，廣東深圳 518107）

0 引言

無氧銅材料具有高的導電性和導熱性，優良的塑性，極好的冷加工性，被廣泛運用在激光器封裝盒零件上。根據封裝盒零件圖樣的要求，內腔體表面應具有很高的光潔度，粗糙度要求為Ra0.8 μm以下，腔體內的每一個尺寸精度及形位公差要求都很高，一般為5～7級。在生產過程中，由于生產設備、加工工藝、刀具、程序、夾具等多方面的原因，造成在零件表面質量和尺寸無法達到圖樣要求，另外無氧銅屬于有色金屬，分子比較活躍，在各工序的生產環節極易氧化。本文以無氧銅封裝盒零件為例（如圖1），研究分析無氧銅材料的加工細節，總結出一套高效無氧銅零件的加工方法。

圖1 無氧銅封裝盒零件

1 表面質量分析

1.1 表面粗糙度

通過對加工經驗的總結，從以下5個因素來分析影響零件表面粗糙度原因。

1）機床穩定性。機床的性能好壞對無氧銅的表面粗糙度至關重要，將主軸跳動值控制0.01 mm以內，避免機床自身的跳動干擾產品表面粗糙度。其次，機床的周圍環境也對加工穩定性造成了嚴重的影響，如機床擺放位置的地基不穩，或擺放在空心樓層，外部環境中的振動傳遞至床身而引起共振，破壞機床的平穩加工，影響產品表面粗糙度。

2）工藝。制定合理的加工工藝，充分考慮零件的加工受力，在各工序中增加零件結構剛度，減少零件加工變形，避免零件切削過程中產生表面振動波紋。

3）刀具。刀具選擇不合理、刀體材料不合適、剛性差是引起振動的主要原因之一。若選錯了刀具，會使刀具磨損加劇，引起切屑瘤、拉毛工件表面或打刀，引起振動，從而影響產品質量。無氧銅材料硬度低，適當增大刀具前角，使切削刃光滑銳利，減小切削時刀具前面的摩擦力，可同時抑制和避免切削瘤產生，降低徑向切削分力，降低零件表面粗糙度值。

4）冷卻潤滑[1]。良好的冷卻潤滑條件，能快速地沖走刀具切削加工中產生的熱量，當潤滑條件不足時，刀具溫度增高，切屑粘在刀具螺旋槽內無法正常排出，引起切屑打傷或拉毛產品表面，造成外觀零件缺陷。

5）工裝夾具。工裝的結構設計及定位對零件加工影響很大，因工裝的剛性不足或與加工參數不匹配，在銑削轉角時會引起振動波紋[2]，增大了零件表面粗糙度。

1.2 表面異常情況

1.2.1 表面刀圈

1）隨機刀圈。通過總結隨機刀圈的產生原因有下列幾種情況：機床在切削運動時，受周圍環境中的噪聲、振動的影響；機床自身剛性不足，工作臺傳動部件磨損；機床缺乏定期保養，工作臺護板縫隙中堵滿切屑，使工作臺運動中產生爬行。這些隨機出現的干擾，破壞了機床的平穩運動，造成零件表面產生隨機刀圈。

2）固定刀圈。加工程序不合理，刀具切削路徑發生急轉彎、突然加速、減速，打破了機床的平穩運動，增加了刀具的抖動，在刀具路徑拐角處，留下明顯有深度的刀圈，針對拐角處固定位置的刀圈優化加工程序，將拐角處刀路修圓，使機床在拐角和轉向時使用圓弧過渡的方式，平穩地改變切削方向，從而避免在拐角處產生刀圈。

1.2.2 表面凸起

刀具的切削刃磨損，切削時對零件表面進行擠壓，造成表面材料產生塑性變形，切削結束后材料回彈，會在零件表面兩刀路重疊之間形成凸起的刀紋。

1.2.3 面上坑點

無氧銅材料塑性好，如果切削時進給速度過快，刀具在切削的同時就會扯掉零件表面材料，在已加工表面形成不規則的坑點，在滿足零件質量要求的前提下，適當降低進給速度，避免產生表面坑點現象。

1.2.4 側壁過切

根據經驗總結了導致側壁過切的3種情況：1）刀具原因。粗加工刀具跳動太大，跳動值超過粗加工給銑加工的預留余量，導致精加工沒有切削量。2）機床原因。機床陳舊老化，靈敏性能差，工作臺在拐角轉向運動時無法立即響應，導致側面過切。3）程序原因。編程時將進給參數設置太高，超過了機床的加工能力；粗加工程序給精加工程序預留余量過少，導致精銑加工沒有切削量，出現過切現象。通過試驗總結了無氧銅切削的刀具參數，如表1所示。

表1 無氧銅材料切深參數

1.2.5 側壁振刀

當刀具剛性不足時引起彈刀，導致零件側壁、孔壁的刀紋差，且在零件側壁打出有深度的凹坑。通過兩種途徑提高刀具剛度：1）減少刀具裝夾伸長量，提高刀具剛度；2）改進刀具結構增加剛度，以φ2.0立銑刀為例（如圖2），通過改進刀具結構，將立銑刀尾部刀刃改成避空桿，縮短刀具刃長，提高刀具剛度，降低振動。

圖2 φ2.0立銑刀改進前后對比

2 銑削方式對表面質量的影響

順銑加工：刀具旋轉時刀齒的運動方向和刀具的進給方向相同，機床運行平穩，產生的振動小，后刀面磨損較少，在精銑加工時有利于減小工件加工表面的粗糙度值，同時順銑也有利于排屑。

逆銑加工：刀具旋轉時刀齒的運動方向和刀具進給方向相反。加工時出會現打滑現象，使刀具后刀面磨損加快，降低刀具壽命，往往會造成無氧銅產品表面質量不理想，普遍出現振動痕跡。

無氧銅加工通常采用順銑，粗加工和半精銑加工采用順逆銑結合加工，以提高加工效率為主，精銑加工以保證產品表面質量為主，采用順銑加工。

3 無氧銅棱邊毛刺的控制

無氧銅硬度低、塑性好，加工后零件棱邊會粘細小的毛刺，零件去飛邊毛刺[3]工程巨大，需要很高的人工成本，通過對銑削方法進行改進，在產品加工中就直接對毛刺進行控制與去除。

3.1 棱邊表面壓刀方法

在零件半精加工前，增加一次跟隨零件輪廓邊緣走刀，邊緣走刀程序依照零件輪廓深度抬高0.02 mm，平面方向切寬0.3～0.5 mm，提前去除輪廓邊緣的加工余量，然后再進行半精加工。精加工前，也增加一次零件輪廓邊緣走刀，邊緣走刀程序依照零件輪廓深度抬高0.005 mm，平面方向切寬0.3～0.5 mm，然后再進行精銑加工，通過兩次對零件輪廓邊緣的走刀，可以有效減少零件棱邊毛刺。另外，無氧銅材料塑性好，加工時容易將零件棱邊材料扯掉，造成棱邊缺損，對零件邊緣輪廓進行走刀操作，能完全避免棱邊掉料現象。

3.2 重復空走法

受切削加工時切削力和擠壓力的影響，第一次精銑加工完畢后，已加工表面會有輕微的回彈，為了更好地提高尺寸精度，完全消除零件棱邊上的毛刺，同時也盡可能減少材料回彈量，二次運行精銑加工程序可完全去除零件棱邊和各個死角毛刺，二次精銑也對零件表面起到了修光作用，能有效降低無氧銅的表面粗糙度。缺點是二次空走會增加加工時間，增加了生產成本。

4 特殊深孔加工

通常，在機械加工中，一般采用“長徑比”（即孔深L與孔徑dc之比值），描述孔的深度特征。長徑比大于5時稱為深孔，提高深孔孔壁表面質量是無氧銅加工中最大難點之一。

4.1 深孔加工前準備

特殊深孔加工應選擇精度高、運行平穩的加工設備，為了提高加工的穩定性，針對零件的深孔結構定制專用的鉆頭、銑刀、鉸刀，在滿足產品深度尺寸的條件下，盡可能降低刀具裝夾長度，增加刀具剛度。

由于深孔的結構特性，冷卻液難以進入到孔內，導致加工過程中熱量無法散發出來，因此在加工前詳細考慮冷卻潤滑的條件，制定合理的加工工藝，同時機床加工轉速不宜過高，進給量不宜過大，盡可能減少刀具加工熱量，避免刀具折斷、孔壁粗糙、孔壁扭曲變形等現象出現。

4.2 深孔加工工藝路線

在無氧銅的深孔加工中，為了保證孔的垂直度，采用分段啄鉆加工的方式[4]，具體工藝路線如下：1）打定位。中心鉆打定位，確定孔的位置。2）鉆引導孔。使用刃長較短的鎢鋼鉆鉆出一定深度的引導孔，為后續鉆孔導向，防止鉆頭鉆斜。3）粗鉆孔。開粗鉆頭沿著引導孔采用啄鉆方式加工，將切削液帶入到孔底，對鉆尖部分進行冷卻潤滑。4）半精鉆孔。運用擴孔銑刀對孔進行半精加工，修正鉆孔導致的偏心，保證垂直度，為精鉸孔創造加工條件。5）鉸孔。最后采用鉸刀對深孔進行精鉸孔，運用鉸刀的高精度保證孔徑尺寸和孔壁表面粗糙度。

5 無氧銅預防表面氧化

無氧銅是單質銅（Cu），在各個工序的生產環節中，生產車間環境中溫度與濕度不斷發生變化，它與空氣中的氧氣（O2）發生化學反應后生成氧化銅（CuO），造成零件表面氧化。

5.1 短期保存

在無氧銅零件生產環節，受生產車間溫度變化和濕度變化的影響，當前工序加工完畢后，立即清潔零件表面油污及雜質，使用水基型防氧化液或防氧化切削油對零件進行浸泡，與空氣中的水和氧隔離，可滿足短期內預防氧化的效果。

5.2 長期保存

針對已經加工完畢的成品零件，要求表面無任何氧化和腐蝕，由于交貨期或運輸的原因就不能采用任何介質去浸泡，將無氧銅零件用超聲波進行精洗，完全去除表面油污與雜質，再用干燥空氣進行風干，用宣紙進行分離包裝，最后再采用真空打包，完全與空氣中的水和氧隔離，可滿足長期存放的需求。

6 結語

通過以上對生產加工細節的分析，在生產前就能對無氧銅材料加工條件進行有效的預判，提前規避了產品質量異常風險，同時在生產加工環節，對產品出現的質量問題能迅速采取有效的解決方案，使生產效率得到很大的提升，最終建立了一套完整的切削工藝，節約了大量的生產成本，大幅提升了批量生產無氧銅零件的效率。