高速切削在精密微小零件加工中的应用

孙传国

（中国电子科技集团公司第41研究所，山东青岛266555）

1 引言

在1931年德国科学家所罗门博士根据研究成果得出结论：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。以此成果为依据的高速切削概念随后逐渐在工业实际应用中推广。

耦合环类零件是电子测试仪器的重要部件，尺寸细小，具有尺寸精度高、表面粗糙度低以及形位精度高的特点。如图1所示耦合环的壁厚为0.03mm。在最初的加工实验时采用过慢走丝线切割铜片加工成形，但因其壁厚为0.03mm，小于放电腐蚀尺寸，故加工结束时零件已经被电腐蚀掉。在其后长期采用模具冲压成型，虽然保证了壁厚要求，但形位精度一直得不到很好的满足，影响电性能指标。同时冲压此类零件的成品率低，生产效率也很低。随着电子测试仪器性能要求的不断提高，冲压成型的工艺方法已不能满足其电性能要求。近来我单位开始应用高速加工，为此类零件工艺方法的改进提供了很好的平台。

图1 耦合环示意图

2 高速加工的工艺设计

因耦合环的尺寸细小，其外形特征决定了零件不具有可夹持面和可夹持空间，无法通过正常的装夹方式进行加工，因此采用“微应力”装夹方式——胶结方式。

由德国科学家所罗门博士的研究成果可知，在高速加工时，高速铣削采用了比常用铣削加工更快的铣削线速度和进给速度，因此会选用比常用铣削加工更小的轴向和径向进给；高速铣削加工过程中，大量因铣削加工产生的热被高速飞溅出的切屑带走，工件表面因加工产生的温度也比常用铣削加工产生的温度低，由此减小了工件在加工中产生的热变形，同时高速铣床具备高刚性和高精度等性能，保证了耦合环的高精度要求；随着铣削线速度的提高，铣削力略有下降，表面质量提高，能保证耦合环侧面的质量要求，同时高速铣削加工铣削力小，高速主轴有较高的稳定性，可加工出高质量薄壁零件；高速加工较小的铣削力又适合使用小直径的刀具，有利于耦合环细小尺寸的加工。总的工艺设计为：下料→正面铣外形→清洗，胶结→反面落料→浸泡，得到成品。

在正面加工时，为了节约材料，同时减小变形对反面加工厚度的影响，采用排样加工的方式。选择合适的尺寸下料，排样编程，加工出零件的正面形状。针对图1耦合环，下料为35mm×35mm×8mm的黄铜板，排样加工尺寸如图2。

反面加工时，采用“微应力”装夹方式——胶结方式。对于示例零件先超声波清洗零件，然后将某种快干胶涂于正面已加工的深为4.0mm的腔内，再把尺寸为23mm×23mm×3.5mm的铜板胶结在正面的大腔内，反面编程加工落料，最后将加工完的零件放入有机溶剂浸泡一段时间，将自然脱落的零件取出。在正面腔涂胶时，应注意将胶尽量涂满零件周边的缝隙中，以增加胶与零件的接触面，增强零件的胶结牢固程度，减少反面落料加工时零件飞出的几率。反面落料时，先用加工正面尺寸一样的腔（如图3），在零件的厚度上留0.3mm余量，再用小直径刀具落料，以较小的切削力，保证零件不会飞出。

图2 正面排样图

图3 反面腔

3 刀具和切削参数的选择

图2中，因深4.0mm的腔只有底面粗糙度的要求，故选用φ4.0mm的键槽直角刀开粗，再用另一把φ4.0mm的键槽直角刀精铣底面；在图1所示的耦合环中，最小的圆角为0.1mm，综合考虑刀具的成本，选用φ0.3mm的键槽直角刀粗铣，再用φ0.2mm的键槽直角刀精铣零件外形，以求保证零件的外形尺寸和粗糙度。

表1 刀具参数表

反面落料时，选用正面腔加工时采用的同一把刀具加工反面腔体。落料刀具选用φ0.3mm的键槽直角刀，以保证切削力小于快干胶固定零件的力量。通过如下关系式确定刀具的参数表： S1=S2/nZ

式中：S1-每齿进给量；S2-每分进给量，mm/min；n-铣刀的转速，r·min-1；Z-铣刀的齿数 Z。

图4 折线下刀

刀具参数确定后，用CAM编程，使用的加工策略如下：

（1）φ4.0mm的刀具加工深4.0mm的腔时，选用Pocket加工策略中的Standard加工，为避免扎刀，选用了折线下刀方式下刀（如图4）。

（2）φ0.3mm的刀具粗铣零件外形，在Contour选项中，没有折线或螺旋下刀，为保护刀具，选择了Contour中的子选项Ramp（如图5），产生的刀具路径模拟如图6。

图5 Ramp选项卡

图6 Ramp路径模拟

（3）φ0.2mm的刀具精铣外形时，选用Contour加工策略中的2D加工，为保护外形的粗糙度，采用了圆弧进刀（如图 7）。

图7 圆弧进刀选项卡

（4）φ0.3mm 的刀具反面落料加工，选用Pocket加工策略中的Standard加工，在零件外折线下刀（如图8），消除下刀时切削力对零件的影响。

图8 零件外折线下刀模拟图

4 结语

通过高速加工在耦合环类零件中的应用，拓展了高速加工在我单位的应用范围，固定了高速加工在高精密微小零件中的加工工艺，确定了高速加工合理的刀具参数、加工策略，为以后的此类零件的高速加工总结了经验。

［1］ 艾兴.数控高速切削技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.