【译稿】数控铣床加工铜的切削指南

“ 铜是热和电的优良导体，因此使其成为各种电子元件中用于散热和优异导电性的理想金属。但加工铜可能是一场噩梦。铜的延展性，以及其可塑性和韧性，使其成为一种具有挑战性的铣削材料。

作为一种软金属，铜在高切削力下容易变形。加工过程中产生的热量增强了铜的延展性，放大了这些已知的问题。但是，通过遵循正确的程序并保持良好的工艺控制，仍然可以使用数控机床对铜进行成功的加工。

本文就是在讨论使用数控机床加工铜可能遇到的挑战以及如何解决这些问题。”
不连续的切屑形成是任何加工过程的理想选择，但加工延展性材料（如铜）会导致形成连续的切屑。这些连续切屑会卡在切削刀具上，使加工过程变得困难，有时甚至会破坏切削刀具。
在工件上放置一块干冰会降低温度，并有助于抑制铜的延展性。干冰的低温会引起材料的脆性，从而促进不连续碎片的形成。
使用断屑器工具还可以通过破坏切屑并防止其卡在切削工具上来提供良好的结果。
在CNC上进行铜铣削可产生令人满意的结果，沿表面有轻微的毛刺。使用多通道技术，切割深度较浅，可以提高铜的表面光洁度。
在铣削过程中影响铜表面光洁度的其他一些因素是刀具选择，润滑和切削速度。
工具选择
选择合适的刀具可以实现平稳的切屑流动和良好的铜表面光洁度。
建议使用螺旋角大于45°的双槽硬质合金立铣刀用于铣削铜。
双凹槽几何形状提供了良好的切屑间隙，便于排屑，并减少了铜与工具摩擦焊接的机会。此外，双槽立铣刀比单槽立铣刀提供更好的强度，因此可以提供更大的切削力。
更高的螺旋线是首选，因为它提供了切屑远离刀具的平滑运动，避免了切屑在切削刃周围积聚。它还有助于提高进给速率，并通过在切屑上提供更好的剪切作用来改善切削的表面光洁度。
刀具寿命
铣削铜需要锋利的工具，但铜的韧性和堆积的边缘形成将大大缩短刀具寿命。
增加 RPM 并减少切削深度可以通过最大限度地减少堆积边缘的形成来延长刀具寿命。使用自适应刀具路径技术还可以通过保持恒定的切屑载荷来延长刀具寿命。
此外，良好的润滑系统将减少摩擦，同时散发多余的热量并延长刀具寿命。
润滑
在处理脆性金属时，大部分热量被不连续的切屑散发，从而保护工具和工件免于过热。
但是在连续形成切削的情况下，不会发生适当的散热，并且切削可能在加工中硬化。这些加工中硬化的切屑可能比基础油硬得多，并且很容易焊接在工件或切削工具上。重新铣削焊接在工件上的加工中产生硬化切屑将使刀具变钝并加速刀具磨损。
这个问题可以通过使用良好的润滑剂来避免，该润滑剂将促进切屑间隙并带走切削刀具的热量。使用良好润滑剂的另一个原因是表面光洁度差和工件上毛刺大。充足的润滑剂（雾或洪水）是解决这个问题的好方法。在铣削区域喷涂WD-40，以及在铣削过程中喷洒一些间歇性喷雾，将改善铜的表面光洁度。
数控机床的刚性
虽然铜是一种软金属，但由于其韧性，加工铜非常具有挑战性。
您可能使用最好的切削刀具，一流的润滑系统，并完美地计算每个参数，但仍然无法获得所需的结果。数控机床的制造质量在定义要在该机床上执行的过程的限制方面起着至关重要的作用。
您不能指望小型DIY机器和工业制造中使用的专业机器也能获得类似的结果。
如果您试图以高进给率深入铜工件，您可能会看到您的机器以微小的偏转形式承受负载。
机床中的这种弯曲可能会损害数控机床的性能。

最简单的解决方案是减少切割深度。
有了正确的工具和条件，一台能够铣削铝的良好数控机床应该可以完成铜铣削的工作。
最佳参数
对于铣削纯铜，建议使用1/8"（0.125"）2槽硬质合金立铣刀，转速为3000 - 5000 RPM，最大进给率为10英寸/分钟，同时保持较浅的切削深度。
保持良好的工艺控制非常重要，因为铣削纯铜需要高精度，任何太高或太低的东西都会破坏工作。
尽管许多用户建议将数控机床控制器调到最大 RPM，但在如此高的 RPM 下对铜表面进行切口，同时保持非常浅的切削深度，可能会导致表面加工硬化。
此外，高转速意味着高热量产生，这使得铜胶粘在切削刀具上。
下表给出了具有中等至优切削加工性的铜合金的一般铣削参数。

铣削直径
（英寸） 每颗牙齿
的进给量（英寸） 转速
0.125 .0005 35,000
0.250 .0010 22,500
0.375 .0015 15,000
0.500 .0020 11,500
0.625 .0020 9,000
0.750 .0025 7,500
0.875 .0030 6,500
1.000 .0030 6,500

具有中等至优切削加工性的铜合金的铣削参数
铜及其合金
所有这些问题的简单解决方案是使用铜合金而不是纯铜。
将铜与硅，镍，铝，锌和锡等元素合金化可显著提高铜的可加工性，同时相当保持纯铜的所有优点。
根据要求，您可以使用最适合您应用的铜合金。

铜等级 组成 机械化指数
C101 纯铜 20
C630型 铜铝合金 30
C762 铜-镍-锌合金 60
C146型 低合金铜合金 80
C111 硫铜 80
C377 含铅二元铜锌合金 90
C360 铜锌合金 100

铜及其合金及其切削加工指数

上表显示了铜及其部分合金及其切削加工指数，其中C101在20时具有最低的切削加工性，C360在100时具有优异的切削加工性。
C111（自由加工硫铜）可能是纯铜的最佳替代品。
硫的添加提高了铜的切削加工性，同时保持了几乎相似的导电性。
它还有助于形成不连续的切屑，从而将切削加工性提高近4倍于纯铜。
最后的思考
在纯铜上执行铣削操作可能具有挑战性，因此应仅在必要时使用。
在适用的情况下，使用合适的铜合金代替纯铜可以改善铣削过程的结果，同时使该过程相对不那么具有挑战性。
此外，铣削具有装饰性表面的纯铜可能非常困难，因此强烈建议将黄铜用于此类应用。
通过遵循正确的程序并保持良好的工艺控制，您可以克服挑战，并以良好的表面光洁度进行铜的铣削。
但是，在铣削铜时必须采取适当的安全预防措施，因为切削刀具断裂的可能性很高，并且在高转速下，断裂的刀具可能是危险的。
常见问题
什么是自适应刀具路径？
自适应刀具路径是一种在整个切削过程中保持刀具上恒定切屑载荷的技术。它在切削的开始和结束时用轻微的圆角改变刀具路径，以便于刀具从工件上轻松进入和取出。

铜铣削的替代方案是什么？
铣削铜的最佳替代方案是使用光纤激光切割机和雕刻机。光纤激光器的波长为1060nm，很容易被铜吸收。这使得能够使用光纤激光器对铜进行精确而复杂的切割。此外，由于激光切割和雕刻是非接触式工艺，因此不存在铜粘在切割工具上的问题。
我们可以在纯铜上进行钻孔操作吗？
是的，钻孔操作可以在纯铜上进行。
纯铜的钻孔操作面临着与铣削类似的问题，但由于钻孔过程中切屑流的空间较小，切屑更容易被锁定到钻头中。这使得该过程比纯铜的铣削更具挑战性。