聚四氟乙烯材料零件車削加工方法探索

■中國(guó)工程物理研究院（四川綿陽(yáng) 621900）白寶州 楊慶輝

1.引言

聚四氟乙烯俗稱“ 塑料王”，是一種耐高溫、耐腐蝕的特種工程塑料，具有優(yōu)良的電絕緣性、耐老化性能，以及吸水性小、摩擦因數(shù)低、自身潤(rùn)滑摩擦性能優(yōu)異等特點(diǎn)，幾乎能耐所有化學(xué)藥品的腐蝕，可在－180～250 ℃條件下長(zhǎng)期使用，廣泛應(yīng)用在化學(xué)化工和航空航天工業(yè)上。但由于強(qiáng)度低、剛性差、冷流性大、不能注射成型，需燒結(jié)成型。對(duì)于單件小批量這類零件的需求，一般需選用臥式車床車削加工而成，材料毛坯一般選用外購(gòu)成型的板材或棒材。

2.零件結(jié)構(gòu)工藝分析

某零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為聚四氟乙烯，加工數(shù)量為20件，內(nèi)徑尺寸203＋0.185＋0mm以及平面度0.2 mm為關(guān)鍵控制要素。零件屬薄壁非金屬材料加工件。形狀雖然簡(jiǎn)單，但零件自身散熱性差、熱膨脹系數(shù)大，使零件車削過(guò)程產(chǎn)生較大的熱變形影響，帶來(lái)尺寸和形狀公差控制的不確定性。所以必須在特定環(huán)境下，設(shè)計(jì)適合的工裝，摸索合理的加工工藝參數(shù)來(lái)保證零件精度要求。

由于聚四氟乙烯材料的線膨脹系數(shù)為10×10-5（1/℃），且熱傳導(dǎo)性差，切削液難以充分將工件熱量帶走，連續(xù)加工存在一個(gè)較大的溫升趨勢(shì)，實(shí)際上工件溫度每升高10℃，工件熱膨脹將增大0.21 mm，已超出零件公差要求，當(dāng)工件達(dá)到這樣的膨脹量時(shí)，對(duì)車削工件端面將會(huì)產(chǎn)生更大影響，由于被零件夾持，工件向外膨脹受到限制，工件變形只有向內(nèi)凹或向外弧形鼓出，其數(shù)量最大可達(dá)到幾毫米。端面車削后將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)中間變厚的趨勢(shì)。因此加工該材料零件，需嚴(yán)格控制溫升，控制溫度的措施除了外界冷卻外，主要是由切削參數(shù)決定。

零件加工難點(diǎn)主要是：薄壁非金屬零件車削加工因溫度變化對(duì)形狀及尺寸影響較大，加工該零件需解決好以下幾處：①如何選擇適合的溫度環(huán)境進(jìn)行加工。②如何選擇適合的刀具及切削參數(shù)。③如何選擇合理的工藝路線及工裝。

3.加工工藝試驗(yàn)

零件毛坯采用20 mm厚聚四氟乙烯板材，鋸切成正四邊形料，在臥式車床上一夾一頂車出外圓作為毛坯。最初工藝試驗(yàn)制定的工藝路線為：頂車外圓→粗車內(nèi)型面→精車內(nèi)型面→車另一端面→車成。各工序間，最后精車需工件充分冷卻后再進(jìn)行，工件裝夾采用配車銅爪裝夾，夾持力度很小，依靠手感達(dá)到最低限度滿足車削要求。按此工藝路線加工后，工件沒(méi)有滿足要求，檢測(cè)結(jié)果為：內(nèi)底面平面度在0.35 mm左右，外底面平面度在0.65 mm左右，均為外凸面，底板厚度及形狀不能滿足要求；需控制內(nèi)徑尺寸，加工中按上偏差控制，加工后仍超差0.10 mm左右，主要由工件的圓度誤差和錐度誤差引起工件尺寸超差。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝分析的變形趨勢(shì)，加工中采用了控制刀具、切削參數(shù)以及充分冷卻等降低溫升措施，但仍不足以抵消切削過(guò)程自身發(fā)熱的變形影響。工件到最后精車時(shí)，剛性太弱，即使很小的夾緊力，也會(huì)產(chǎn)生較大的夾持變形。要想避免這些因素的影響，還應(yīng)減小裝夾變形，對(duì)熱變形進(jìn)行釋放，減小環(huán)境溫度變化對(duì)加工尺寸的影響。

4.工藝措施

通過(guò)對(duì)變形原因的分析，須采用合理的工藝措施釋放變形，穩(wěn)定加工環(huán)境的溫度，在刀具上增大刀具的前角和后角，使刀尖更加鋒利，減少切削力。在切削參數(shù)上，減小吃刀深度，適當(dāng)增大走刀量，減小一次走刀過(guò)程的發(fā)熱量，新制定的工藝路線為：粗車外圓→粗車內(nèi)型面→車工藝夾頭→精車內(nèi)型面→車另一端面→粗車內(nèi)型面→車成。新方案加工示意圖如圖2～圖3所示。

內(nèi)型面精車，采用夾持工藝夾頭，工件緊貼自定心卡盤，車削工件端面外圈時(shí)熱脹變形為自由狀態(tài)，以降低對(duì)內(nèi)端面的影響，內(nèi)孔加工未受自定心卡盤直接夾持，裝夾變形大幅減小，加工時(shí)考慮熱脹影響，仍按上偏差尺寸控制，適當(dāng)預(yù)留熱脹后回縮量。外圓及端面加工采用心軸裝夾的型式，工件內(nèi)孔加工好后，按內(nèi)孔配制過(guò)盈心軸，配合過(guò)盈量根據(jù)工藝試驗(yàn)熱脹情況控制在0.10～0.15 mm之間，通過(guò)預(yù)變形抵消工件的熱脹變形，過(guò)盈裝配后，工件不需要夾緊，夾緊過(guò)盈心軸即能加工，車削過(guò)程中，仍需控制溫升，使工件始終處于拉緊狀態(tài)，同時(shí)拉緊狀態(tài)下避免工件端面的熱脹變形。

圖2 內(nèi)型面加工示意圖1.三爪卡盤 2.工件 3.車刀

圖3 端面外圓加工示意圖

加工時(shí)采用先加工端面后加工外圓，外圓精車后出現(xiàn)熱脹變形，工件可輕松取下工裝。加工過(guò)程在恒溫（20±2）℃房間進(jìn)行，避免外部環(huán)境溫度不一致引起尺寸的變化。

5.結(jié)語(yǔ)

零件批量加工完畢，各項(xiàng)要求達(dá)到了理想的效果，內(nèi)徑尺寸普遍控制在203.05～203.13 mm之間，底面平面度未超過(guò)0.15 mm。在非金屬材料聚四氟乙烯的加工中，通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)、控制溫升以及采用過(guò)盈工裝預(yù)變形處理，可以大幅減小該材料車削加工中的熱變形影響。使該類零件的批量加工得到了質(zhì)量保證，同時(shí)該加工方法還有利于提高生產(chǎn)效率。

[1]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2]張耀寰.機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1987.

[3]孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.