铜、黄铜和青铜的加工刀具

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  铜在切削刃处的特性为何不同
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  关键的刀具几何与涂层选择
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  实际应用中的转速、进给与切削液
• 4
  机床与工件夹持要求
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  合金与刀具匹配表

铜及其合金软、导热好、化学活性强。这三个特性几乎决定了铜加工刀具的全部选择。锋利的刃口不会像切钢那样剪切出干净的切屑，材料会在刃前被挤压、轻微加工硬化，然后撕裂。结果是积屑瘤每秒生长并脱落数次。

导热性是第二个因素。C101 纯铜的导热速度约为 1018 钢的八倍。热量迅速离开剪切区，切屑保持低温，而切削刃持续在前刀面承受摩擦。因此铜的刀具磨损主要不是热磨损，而是粘结和磨粒磨损。

化学性质也有影响。铜会与无涂层硬质合金中的钴反应，也会与某些极压添加剂中的硫反应，这就是高铅黄铜与纯铜加工表现差异很大的原因。同一刀片在 C36000 上切削干净，在 C110 上却可能涂抹粘刀，因为铅起到内部润滑作用并使切屑断得短。

实际含义：按合金选刀，而不是按材料大类选刀。纯铜和铍铜需要锋利、抛光、大前角的几何形状。易切削黄铜可承受较钝的刃口和更高的进给。把它们当作同一种材料处理，是铜加工出问题最常见的原因。

前角是第一杠杆。纯铜用 12° 至 20° 正前角，刃口锋利不钝化，前刀面抛光。抛光前刀面可减少导致积屑瘤的摩擦，让切屑滑走而不是焊在刃上。易切削黄铜用 0° 至 8° 更好，因为更强的刃口能承受黄铜允许的更高进给。

螺旋角和刃数控制排屑。铜产生长条连续切屑，容易堵塞容屑槽。直径 8 mm 至 12 mm、螺旋角 38° 至 45° 的三刃立铣刀能在不摩擦的情况下清槽。在深腔中，应减少到两刃或三刃并增大螺旋角，而不是提高主轴转速。

涂层在这里常被误解。氮化铝钛（TiAlN）是为高温切削钢设计的，在软铜上反而可能增加粘结。无涂层微粒硬质合金或薄类金刚石碳（DLC）涂层是更好的默认选择。在磨蚀性铍铜的长批量加工中，金刚石涂层值得投入成本。

刃口处理值得一提。钢用刀片标准的钝化或 T 形刃带会增加铜的切削力并促进涂抹。应要求锋利、抛光的刃口，并在后刀面磨损达到 0.1 mm 至 0.15 mm 时更换刀具。超过该点，表面质量迅速下降，毛刺增大。

硬质合金加工铜合金的线速度通常在 150 m/min 至 400 m/min 之间，易切削黄铜取上限，铍铜取下限。每齿进给精加工为 0.05 mm 至 0.15 mm，黄铜粗加工为 0.15 mm 至 0.30 mm。具体数值不如保持足够高的进给以避免摩擦重要。

摩擦是要警惕的失效模式。如果切屑呈粉末状而不是卷曲长条，说明低于最小切屑厚度，刃口在挤压抛光而不是切削。将每齿进给提高 20% 并听切削声。铜应发出稳定的嘶嘶声，而不是尖叫声。

切削液选择按合金区分。黄铜和青铜通常干切或轻雾冷却，因为切削液会使它们变色，而切屑带走热量的能力已足够。纯铜和铍铜适合 flood 冷却或主轴高压内冷，主要用于冲出深腔中的切屑并控制细粉尘。

铍铜需要额外一条规则。粉尘危害健康，因此采用湿式加工并配良好抽吸，绝不要干吹切屑。精加工走刀时，用锋利刀具以 0.02 mm 径向切深做一次弹簧刀，可清除粗加工留下的涂抹层，往往无需手工抛光。

铜软，所以薄弱环节是工件而不是主轴。C110 薄壁在夹紧压力下远早于刀具断裂就发生变形。使用按零件轮廓加工的软爪，或对薄板采用真空夹具，并保持低夹紧力。纯铜 2 mm 壁厚可能被标准台虎钳压出公差。

刚性对表面质量仍然重要。配备直线导轨和 20,000 rpm 主轴的机床更容易保持 Ra 0.4 μm，因为颤振会立即在铜表面显现。这就是我们的 16 台五轴联动加工中心承担大部分高公差铜和黄铜加工的原因。

切屑管理是硬件问题。连续的铜屑缠绕在刀具上，下一刀就会划伤已加工好的壁面。将压缩空气吹向切削区，或采用内冷刀具，可保持排屑槽畅通。在深腔加工中，每进给几毫米就编程一次啄式退刀，而不是一次长切削。

对于长度不超过 4,000 mm 的零件，我们在行程为 4,000 × 400 × 150 mm 的机床上加工，可覆盖长母排和换热器歧管。较小的电触点和连接器则放在 500 × 500 × 450 mm 或 500 × 310 × 200 mm 的平台上。选择合适的平台是工装决策的一部分，而不是事后考虑。