作者：文德林

單位：桂林特邦新材料有限公司

來源：《金屬加工（冷加工）》2019年第 1 期 

在真空銅鉻觸頭材料中，CuCr25、CuCr50（我國主要采用）常被用于真空斷路器中，該CuCr材料各組元因以假合金形式存在，保持了Cu、Cr各自的優(yōu)異性能。如Cu具有較低的熔點(diǎn)、高傳導(dǎo)性及良好的塑性，有利于于提高在真空中開斷能力；而Cr具有較高熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度和截流值，確保具有良好的耐壓、抗燒蝕 、抗熔焊和低截流之特性。CuCr觸頭材料應(yīng)用也越來越廣泛，但其制造工藝要求越來越精細(xì)、嚴(yán)格。

1.原工藝存在問題

在真空銅鉻觸頭材料中，成型方法主要有：固相燒結(jié)法、電弧熔煉法、真空溶鑄法和真空熔滲法等。銅鉻觸頭主要根據(jù)客戶需求選擇以上合適的成型方法成型粗坯，后經(jīng)過機(jī)加工，如車、銑、鉗工等工序獲取成品。

如圖1所示，觸頭要求表面潔凈、無氧化、油污、手印和銹點(diǎn)等刀痕現(xiàn)象，同時(shí)工件應(yīng)保證零件無變形、掉塊、氣孔、砂眼和夾雜等，但在實(shí)際CuCr觸頭制造過程中，工件表面經(jīng)常出現(xiàn)油污、掉塊和黃斑等現(xiàn)象，刀具磨損嚴(yán)重，使用壽命較短，導(dǎo)致被加工零件表面粗糙，不符合圖樣技術(shù)要求。  

目前本公司CuCr觸頭按形狀主要分為兩類：開槽型觸頭和非開槽型觸頭。

如圖2所示，CuCr25采用固相燒結(jié)方法獲取粗坯，觸頭車削加工后，需經(jīng)銑加工開槽等工序完成。為了提高工作效率，現(xiàn)常采用濕切削法，工藝現(xiàn)為：配料→壓制成型→真空燒結(jié)→復(fù)壓→精車（外徑、端面加工量分別為1mm、0.5mm）→開槽→鉗工（去毛刺、拋光、清洗、烘干）→檢測→包裝（塑料袋真空包裝）→發(fā)貨。

如圖3所示，CuCr45為非開槽型觸頭。其中精車工序必須為干切削(改善后)，毛坯料采用電弧熔煉法（本公司采用德國進(jìn)口設(shè)備），其制造工藝：成型（電弧熔煉）→粗車→鋸切→熱處理→粗車（外徑、端面留量分別為1mm、0.5mm）→精車→檢測→包裝（塑料袋真空包裝）→發(fā)貨。

以上兩類觸頭現(xiàn)場情況如下：

第一類開槽型觸頭采用濕切削法，加工效率較高，刀具選型現(xiàn)在選用加工Al、Cu、Ti合金類型刀片（均為改善后）；一個(gè)刀片（2個(gè)刀尖）可加工350件,但表面有水印、油污、表面不干凈現(xiàn)象突出，放在空氣中易出現(xiàn)黃斑現(xiàn)象，如采用干切削，刀尖粘銅現(xiàn)象嚴(yán)重，工件表面粗糙，刀片使用壽命短，且后續(xù)銑工序也必須使用切削液加工，同樣會有水印油污、表面不干凈現(xiàn)象。

第二類非開槽型觸頭，加工采用干切削，刀具使用壽命短，一個(gè)刀片（2個(gè)刀尖）只加工100～120件,再繼續(xù)加工，觸頭盤工作表面粗糙，刀尖粘銅現(xiàn)象嚴(yán)重；而采用切削液加工，檢測觸頭盤工作表面，表面粗糙度較好,但表面不能滿足表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，采用SITA潔凈度測試儀測試，合格標(biāo)準(zhǔn)要求RFU值≤12，實(shí)測任抽檢5個(gè)，均值為43.7，經(jīng)后工序超聲波清洗，觸頭工作表面仍不能達(dá)到表面粗糙度測試要求。

2.分析問題

   針對CuCr觸頭材料制造工藝出現(xiàn)以上現(xiàn)象，我們對第一類CuCr25材料進(jìn)行分析。CuCr材料其組元Cu、Cr主要以假合金形式存在，如Cu、Cr合金相中，在1 076℃時(shí)，Cu在Cr溶解度為1.28%，而Cr在Cu中溶解度為0.7%，在600℃時(shí)，則Cr幾乎不溶于Cu，Cu不溶于Cr，這樣實(shí)際就形成了兩相結(jié)合假合金混合物。

與此同時(shí)，我們對相應(yīng)觸頭進(jìn)行了硬度檢測，CuCr25硬度HB70～100(CuCr30、CuCr40、CuCr50硬度分別為HB75～100、78～120、80～120)。根據(jù)觸頭材料軟中帶硬的假合金特性，加工所選用的刀具刀刃必需具備鋒利但又需保證耐磨損這兩個(gè)特性，即加工Cu保證刀刃鋒利以免車削刀尖粘Cu，但Cr又會加劇刀尖磨損。

操作者在加工CuCr觸頭時(shí)，要求必須帶膠手套，這樣可避免觸頭表面手印出現(xiàn)。采用切削液加工，提高了工作效率，但工件觸頭表面油污也由此產(chǎn)生，因此，在車、銑加工后，經(jīng)鉗工工序去除毛刺、拋光觸頭表面，再通過超聲波清洗、烘干獲得干凈表面。

對于非開槽型觸頭，采用濕切法加工，觸頭表面光滑，粗糙度達(dá)標(biāo)，但表面必須經(jīng)拋光、超聲波清洗、烘干等工序，才能達(dá)到觸頭盤表面粗糙度要求，增加了工序和成本；而采用干切削法，只要對刀具刀片選型匹配合理，通過合理的加工參數(shù)（F、S、a_p）進(jìn)行調(diào)整,現(xiàn)場直接加工達(dá)到觸頭工作面粗糙度要求，加工完后，及時(shí)進(jìn)行檢測包裝作業(yè)，工序銜接緊密，以盡量減少CuCr觸頭暴露在空氣中存放時(shí)間，這樣可以避免工件氧化導(dǎo)致黃斑出現(xiàn)。

我們又對CuCr觸頭原材料鉻粉進(jìn)行了跟蹤，如附表所示，發(fā)現(xiàn)無論是國產(chǎn)的還是從德國進(jìn)口的，仍有黃斑出現(xiàn)，因鉻粉中有少量鐵等雜質(zhì)存在，鐵生銹及易氧化金屬等雜質(zhì)是產(chǎn)生黃斑主要內(nèi)因；另一方面，也跟潮濕的環(huán)境有關(guān)，潮濕天氣加快鐵金屬等雜質(zhì)氧化；還有一種情況，在干切削過程中，車削過程導(dǎo)致觸頭發(fā)熱，這種發(fā)熱會導(dǎo)致觸頭緩慢氧化，這就需要我們嚴(yán)格按制造工藝流程要求執(zhí)行，如在車切削加工參數(shù)中，合理匹配吃刀量（a_p）、進(jìn)給速度（F）、主軸轉(zhuǎn)速（S），避免加工產(chǎn)生巨大熱量出現(xiàn)；我們在制造過程中，偶爾發(fā)現(xiàn)觸頭盤表面有黑點(diǎn)現(xiàn)象，但目前產(chǎn)生黑點(diǎn)原因有很多中解釋，有的認(rèn)為與Cr粉粒度及組成有關(guān)，Cr粉粒度及組成越少，黑點(diǎn)產(chǎn)生幾率就越少，在此，本文不一一分析，目前黑點(diǎn)產(chǎn)生具體原因還需進(jìn)一步探索！  

3.解決方案

根據(jù)以上現(xiàn)象及原因分析，首先，在Cu、Cr原材料采購方面，對廠家生產(chǎn)Cu、Cr料純度及粒度嚴(yán)格檢測外，本文這里針對銅鉻觸頭制造加工工藝進(jìn)行改善。

（1）針對形狀帶有槽型CuCr類觸頭進(jìn)行工藝改進(jìn)。在刀具選型方面統(tǒng)一選擇硬質(zhì)合金刀片，選擇加工對象為車削Cu、Al、Ti合金類型刀片，替代以前選型采用加工有色金屬類型刀片，經(jīng)多次測試，以前選擇刀片綜合加工效果不佳，刀片耐磨損但只加工少量觸頭（30件）就出現(xiàn)刀片不鋒利現(xiàn)象，現(xiàn)采用KOLOY刀片，如圖4所示，型號如CCGX09T304-AK等,采用切削液進(jìn)行車削加工，車削過程須注意操作細(xì)節(jié)：操作者裝、取零件統(tǒng)一帶手套操作，當(dāng)每個(gè)觸頭精車工序完畢，放入等離子水中浸泡約15～20min，再取出吹掉觸頭表面的水，晾干放置干凈塑料框里，再流入下一道銑削工序。

注意，這里采用硬質(zhì)合金鋸片銑刀開槽、立銑刀倒棱。如CuCr25φ42×6元件加工，設(shè)計(jì)工裝如圖5所示，通過程式優(yōu)化和工裝改進(jìn)，一次同時(shí)加工7片（實(shí)際根據(jù)芯桿有效長度45mm確定加工觸頭數(shù)量），一個(gè)班平均加工420件, 與以前相比，提高2.8倍（以前手工操作機(jī)床每班150件），現(xiàn)工藝路線：配料→壓制成型→復(fù)壓→真空燒結(jié)→精車（外徑、端面加工量分別為1mm、0.5mm）→開槽→鉗工→檢測→包裝（塑料袋真空包裝）→發(fā)貨；在工序鉗工依次完成去除毛刺、拋光、清洗、烘干等工步，這樣有效確保觸頭表面潔凈、無手印、粗糙度等技術(shù)要求。

（2）針對形狀為非槽型觸頭，制定工藝路線。工藝路線：成型（電弧熔煉）→粗車→鋸切→熱處理→粗車（外徑、端面留量分別為1mm、0.5mm）→精車→檢測→包裝（塑料袋真空包裝）→發(fā)貨。

這里值得注意的是，觸頭坯采用電弧熔煉法成型，毛坯是棒料，故需要粗車，再鋸切、粗車，其中第一道粗車工序粗車外圓，便于鋸切、后粗車工序以外圓為基準(zhǔn)裝夾、定位，后粗車作用便于精車準(zhǔn)確定位，確保外圓、端面均勻留量，如觸頭精車外圓加工余量1mm,端面0.5mm（上下端面均留0.25mm），精車CuCr觸頭有一個(gè)非常重要技巧，工件夾位深度精車通常為0.5～1.2mm，以確保在精車第二工序能完整加工元件輪廓，小的加工余量確保在精加工CuCr觸頭外圓、圓弧、端面時(shí)工件不被飛出，這一點(diǎn)非常重要！

同時(shí)，在加工外圓、端面準(zhǔn)許條件下，我們改用更大刀尖角R0.8mm(原來刀尖角R0.4mm)，盡量一次性完整加工出輪廓，或通過程式修正避免接刀痕出現(xiàn)。采用干式切削必須要求操作人員帶口罩、膠手套，精車完畢取工件時(shí)，應(yīng)采用鑷子夾取工件，放入干凈塑料盆中，注意輕拿輕放及時(shí)檢測包裝，這樣有效保證工件表面潔凈、無劃傷、無手印、無氧化產(chǎn)品質(zhì)量要求，還有，在精加工觸頭過程中或存放觸頭倉庫場所應(yīng)要嚴(yán)格控制室溫，避免氧化產(chǎn)生黃斑出現(xiàn)。

4.結(jié)語

CuCr合金觸頭材料成型方法很多，每個(gè)公司應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及客戶需求制定合適的工藝。通過現(xiàn)場問題的跟蹤，分析并對癥下藥，問題得到了解決。目前CuCr25、CuCr30、CuCr40觸頭也已開發(fā)并應(yīng)用，在此，也希望制造Cr生產(chǎn)廠家及生產(chǎn)觸頭企業(yè)共同努力，通過工藝改進(jìn)，做更好的觸頭，滿足客戶的需要。

“刀具”約稿函

2019年金屬加工（冷加工）雜志“刀具”欄目約稿如下：

（1）刀具的先進(jìn)技術(shù)及發(fā)展趨勢。（2）刀具的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與制造經(jīng)驗(yàn)。（3）刀具的選型和應(yīng)用。（4）在實(shí)際加工過程中使用刀具的心得。（5）刀具使用的具體案例分析或解決方案的改進(jìn)等。

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金屬加工（冷加工）編輯部