聚砜材料零件加工過程中應(yīng)當(dāng)注意的幾個問題

王 璽

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，陜西 西安710068）

0 引言

聚砜是一類在分子主鏈上含有砜基的芳香族非結(jié)晶高性能的熱塑性工程塑料，是略帶琥珀色非晶型透明或半透明聚合物。它具有突出的熱穩(wěn)定性(在-100°C～+150°C 范圍內(nèi)能保持良好的性能)、優(yōu)良的力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度為70～75，彎曲模量2680)、突出的長期耐蠕變性、優(yōu)異的介電性能(在水中或190°C下仍能保持很高的介電性能)。另外，它還具有耐水解，尺寸穩(wěn)定性好，成型收縮率小，無毒，耐輻射，耐燃等特點。

聚砜材料因其優(yōu)異的性能，從而應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用在電子、電氣方面，用于制作接觸器、變壓器絕緣件、可控硅帽、絕緣套管、線圈骨架、接線柱、印刷電路板、軸套等各種電氣零件范圍。

1 聚砜材料零件加工時存在主要問題

聚砜材料零件的成型加工方法主要有壓制成型和機(jī)械加工成型兩種，前者是在注塑機(jī)上利用模具將粉末狀聚砜材料壓成型，適合于外形尺寸不大、結(jié)構(gòu)相對簡單、有生產(chǎn)規(guī)模的零部件，缺點是需要加工專用模具，生產(chǎn)周期長；后者是采用類似于金屬材料切削加工方法進(jìn)行，如:車、銑、鉆等對聚砜材料進(jìn)行切削加工，加工完成后再放置到烘箱中進(jìn)行去應(yīng)力處理，適用于單件小批量零部件的加工，優(yōu)點是加工方式靈活、生產(chǎn)周期短、適用各種復(fù)雜零件的加工，是主要采用的加工手段。

一般來講，聚砜材料可以采用車、銑、鉆、鉗等常規(guī)金屬材料方法進(jìn)行加工，但是聚砜材料零部件在機(jī)械加工過程中，可能會因為裝夾方式、刀具、加工參數(shù)及冷卻液等因素的影響，造成聚砜材料零部件裂紋的產(chǎn)生。同時，聚砜材料的零部件在機(jī)械加工完成后一般要進(jìn)行清洗、噴漆等表面處理，但由于此種材料對部分化學(xué)溶劑比較敏感，溶劑或油漆選擇不當(dāng)也會造成聚砜材料零部件表面產(chǎn)生裂紋或者原有的裂紋擴(kuò)大。

筆者通過長期的實際工作摸索和大量的工藝試驗，為減少聚砜材料生產(chǎn)加工開裂的問題，提高零件加工的合格率，總結(jié)出以下幾個方面的經(jīng)驗和建議。

2 聚砜材料零部件加工過程中應(yīng)當(dāng)注意的幾個問題

2.1 機(jī)械加工方面

2.1.1 裝夾方式的選擇

不合理的裝夾方式是導(dǎo)致聚砜材料開裂的主要原因，聚砜零件在機(jī)械加工過程中由于受到裝夾方式的影響，加工完成后產(chǎn)生殘余應(yīng)力是無法避免的，因此在裝夾方式的選擇上，應(yīng)盡量避免和減小加工時應(yīng)力的產(chǎn)生。因此在工藝設(shè)計和操作加工時要充分考慮應(yīng)力因素，選用適當(dāng)?shù)难b夾方式，輔助以必要的工裝保障，零件裝夾的部位盡可能選擇強(qiáng)度較好、剛度較強(qiáng)的部位。如圖1所示的零件采用數(shù)控銑加工，為了防止應(yīng)力的影響，零件采用四周壓板裝夾，掏銑的方式完成加工。

2.1.2 加工刀具的選用

聚砜材料屬于熱塑性塑料，而塑料是由多種成分組成的，其強(qiáng)度、組織、硬度不均勻，回彈性強(qiáng)，尺寸精度不易控制，在切削時要求刀具刃口要鋒利、耐磨，否則會因為刀具的快速磨損而失去切削能力，進(jìn)而導(dǎo)致切入切出處發(fā)生開裂和崩邊，因此，加工聚砜材料零件時應(yīng)使用專門的鋒鋼類刀具,并始終保持刀口鋒利，隨時研磨。

同時由于聚砜材料的彈性模量、硬度在熱塑性塑料中均屬最佳，它剛性大、耐磨、強(qiáng)度高，因此在切削過程中，刀具的后角α、前角γ、刀尖圓弧半徑εγ及懸伸比L/D都可能造成零件產(chǎn)生裂紋，且此幾個因素有可能相互制約。

刀具懸伸比與前角對粗糙度影響較大，這是因為懸伸比越大，則刀具剛度越差，在高速切削中，因振動而更加容易產(chǎn)生裂紋。前角影響刀具的鋒利程度，同時對刀具的散熱效果影響較大。大后角雖然對切削有利，但影響刀具的剛度與散熱效果，兩種作用相互抵消，故對裂紋產(chǎn)生影響有限。刀尖圓弧半徑較大時，在低速切削時，有利于提高表面質(zhì)量，但高速切削時，因進(jìn)給量很小，故影響較小。

這就要求我們在實際工作中選擇刀具參數(shù)時，不但要考慮刀具參數(shù)對裂紋產(chǎn)生的影響，還要考慮刀具參數(shù)對刀具磨損及切削力、切削溫度的影響，必要時進(jìn)行試加工

圖1 實例零件

2.1.3 加工參數(shù)的選擇

在機(jī)械加工過程中，由于切削速度、進(jìn)給量的設(shè)置決定了零件加工后的應(yīng)力大小，進(jìn)而影響聚砜材料零部件加工后裂紋產(chǎn)生的可能。

a)切削速度

由于塑料類材料的硬度和強(qiáng)度相對于金屬類材料鉸低，其切削力小，耐熱性和導(dǎo)熱性也比金屬類材料差，因此不能采用較高的切削速度。而且在車削和鉆削時，切屑呈帶狀，易纏繞在工件或刀具上，需要及時處理，否則會擠壓成硬團(tuán)，影響加工的順利進(jìn)行。

b)進(jìn)給量

進(jìn)給量的大小，主要受聚砜材料表面質(zhì)量、加工中振動和工件變形的影響，應(yīng)根據(jù)工件余量、工件剛性和變形來選取。在切入和切出時，為了防止開裂、崩邊，保證加工質(zhì)量，宜選擇小的切削深度和進(jìn)給量。

只有合理選擇上述參數(shù)，才能使機(jī)械加工后的零件殘余應(yīng)力較小，進(jìn)而減少聚砜材料機(jī)械加工后開裂的幾率。

2.1.4 冷卻液的選擇

機(jī)械加工過程中常規(guī)使用的冷卻液有肥皂液、切削油等，但這些常規(guī)冷卻液會改變聚砜材料的特性，使之出現(xiàn)溶脹。但是聚砜材料的耐熱性、導(dǎo)熱性不及金屬材料，加工過程中也需用冷卻液來降溫。因此，若使用了不恰當(dāng)?shù)睦鋮s液或冷卻方式，會造成加工完處理后出現(xiàn)開裂問題，降低零件的合格率。

通過在工藝試驗件（見表1），加工過程中使用不同的冷卻液，總結(jié)出以下結(jié)論：對于加工時間短、結(jié)構(gòu)簡單的零件可以不使用冷卻液；加工時間長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件最好使用純凈水進(jìn)行冷卻。但是需要注意的是：使用純凈水加工零件，完成加工后，應(yīng)及時清潔加工設(shè)備，防止設(shè)備其因水的侵蝕而生銹。

表1 冷卻液試驗結(jié)果

2.2 去應(yīng)力處理方面

聚砜材料零部件在機(jī)械加工完成后，由于裝夾方式、刀具、加工參數(shù)等因素的影響，將不同程度存在著殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在將有可能使零件在機(jī)械加工后或者在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)裂紋，這就要求在零件機(jī)械加工完成后進(jìn)行熱處理去除殘余應(yīng)力。

聚砜材料類零部件熱處理時，溫度、時間參數(shù)的設(shè)置和控制至關(guān)重要。溫度高了，時間短了，因不同部位，不同受力點的應(yīng)力大小有差異，應(yīng)力在短時間內(nèi)集中快速釋放很容易導(dǎo)致零件開裂；溫度低了，時間長了，則起不到去應(yīng)力的作用或應(yīng)力難以完全釋放。因此選擇合理的升降溫速率及保溫溫度與保溫時間非常關(guān)鍵與重要。

通過工藝試驗（見表2），得出結(jié)論為：烘箱加熱到100℃～120℃，保溫4H（隨爐冷卻）。

表2 去應(yīng)力處理結(jié)果

2.3 表面處理方面

聚砜材料的零部件在機(jī)械加工完成后一般要進(jìn)行清洗、噴漆等表面處理，但由于此種材料對部分化學(xué)溶劑比較敏感，溶劑選擇或油漆選擇不當(dāng)也會造成聚砜材料零部件產(chǎn)生裂紋或者原有的裂紋擴(kuò)大。

2.3.1 清洗劑的選擇

使用不合理的清洗劑是導(dǎo)致聚砜材料產(chǎn)生誘導(dǎo)性破壞（環(huán)境應(yīng)力開裂ESC），從而發(fā)生溶脹開裂的主要因素。雖然聚砜材料化學(xué)穩(wěn)定性好，除濃硝酸、濃硫酸、鹵代烴外，能耐一般酸、堿、鹽等，但加工后、噴漆前進(jìn)行清洗時常使用的二甲苯、丙酮、汽油、無水乙醇等清洗劑可能會改變其材料特性，使之出現(xiàn)溶脹。

通過對工藝試驗（經(jīng)過數(shù)控車加工的聚砜螺釘）的浸泡處理（二甲苯、丙酮、汽油、無水乙醇），（見表3），得到以下結(jié)論：

a)二甲苯對聚砜材料溶脹開裂最嚴(yán)重，并且會隨著時間推移，溶脹加?。?/p>

b)丙酮對聚砜材料溶脹開裂很嚴(yán)重，但不會隨時間加劇；

c)清洗劑最好選用汽油、酒精、水。

表3 清洗劑試驗結(jié)果

2.3.2 油漆的選擇

對于需要噴漆的聚砜零件來說，油漆的選擇非常重要。因為漆中所含的成分也可能導(dǎo)致聚砜材料的溶脹開裂，而且這種開裂更隱蔽，更不容易在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)。

為了驗證漆對聚砜材料的影響，對工藝試驗（經(jīng)過數(shù)控車加工的聚砜螺釘）進(jìn)行噴漆的漆種進(jìn)行了選擇（見表4），得到以下結(jié)論：

a)聚砜材料對二甲苯比較敏感，噴漆時最好選用不含二甲苯的底漆和面漆，防止溶脹開裂的發(fā)生；

b)為了進(jìn)一步降低噴漆后聚砜材料開裂的風(fēng)險，建議使用和聚砜材料介電常數(shù)相同或相近的油漆（聚砜材料的介電常數(shù)為4.1）；

c)噴純鋅黃底漆S06-N-2+白色S04-20由于是底漆和面漆都有，漆膜和聚砜材料結(jié)合力從理論上優(yōu)于噴面漆白色S04-20方案。

表4 噴漆試驗結(jié)果

3 結(jié)論

開裂是聚砜材料零件加工的主要問題，本文作者通過大量的實際工作摸索和工藝試驗，對聚砜材料生產(chǎn)加工的的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析、試驗、驗證，總結(jié)出了一套加工此類零部件成熟的工藝方法，不但大幅度減少了聚砜材料零件開裂的問題，提高了不合格率，也為今后聚砜材料零件的生產(chǎn)加工提供了參考依據(jù)和工作思路。

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