有機(jī)玻璃零件的數(shù)控加工

■ 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 （長(zhǎng)治 046012） 萬(wàn) 慶 李曉波 李鵬飛 杜文平

1.有機(jī)玻璃零件加工難點(diǎn)

有機(jī)玻璃學(xué)名為聚甲基丙烯酸甲酯，具有較好的透光性和化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿，且尺寸穩(wěn)定、易于成形，所以在航空航天、化工和醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，有機(jī)玻璃制品零件大多可以直接澆鑄成型，但有些形狀特殊、尺寸精度和表面粗糙度要求較高的零件，往往需要進(jìn)行機(jī)械加工。但有機(jī)玻璃材料與金屬材料的機(jī)械性能有較大差異，其質(zhì)地較脆，具有缺口敏感性，在應(yīng)力作用下易開裂。

圖1所示零件量杯是典型的有機(jī)玻璃零件，且為中空薄壁結(jié)構(gòu)。其尺寸精度要求較高，技術(shù)要求加工后保持材質(zhì)原有透光度，滿足測(cè)量量程的需求。該零件采用數(shù)控車床進(jìn)行加工時(shí)雖易于成形，但工藝參數(shù)和工序選擇不當(dāng)時(shí)，極易出現(xiàn)裂紋等缺陷，致使零件報(bào)廢。另外，其表面處理方法的選擇尤為關(guān)鍵，操作不當(dāng)時(shí)，表面呈撕裂狀，容易“擦毛”，失去有機(jī)玻璃原有的透明性，無(wú)法滿足技術(shù)要求。

2.零件加工的影響因素分析

（1）切削熱對(duì)有機(jī)玻璃加工的影響較大，主要表現(xiàn)在以下兩方面：①由于有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通金屬材料的1/450～1/175，所以切削加工中產(chǎn)生的切削熱無(wú)法快速地散發(fā)，熱量積累在刀具與工件的接觸部位，導(dǎo)致刀具磨損加劇。同時(shí)有機(jī)玻璃的熱膨脹系數(shù)比一般金屬要大1.5～2倍，玻璃化溫度大致為100℃左右，過(guò)高的切削熱使有機(jī)玻璃體積發(fā)生變化和玻璃化，使加工精度下降，無(wú)法達(dá)到加工要求。同時(shí)有機(jī)玻璃的體積膨脹又加劇了刀具與工件的摩擦，引起切削熱進(jìn)一步升高，形成惡性循環(huán)。②由于有機(jī)玻璃的熔點(diǎn)較低，只有160～200℃，屬于熱塑性材料。切削加工中過(guò)高的切削熱極易使加工表面產(chǎn)生熔結(jié)現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為零件加工內(nèi)孔時(shí)，散熱條件較差，表面容易“擦毛”，呈現(xiàn)出細(xì)小的撕裂紋，誤以為加工時(shí)材料質(zhì)脆導(dǎo)致的細(xì)小裂紋或材料本身的內(nèi)部缺陷，但透光或滲水檢查時(shí)，均無(wú)泄露，零件的透明度無(wú)法達(dá)到技術(shù)要求，加工成形后工件表面發(fā)污，遠(yuǎn)沒(méi)有零件材質(zhì)本身的質(zhì)感。

圖 1

（2）加工參數(shù)對(duì)有機(jī)玻璃加工的影響。有機(jī)玻璃常溫下屬于硬而脆的材料，而該零件具有薄壁結(jié)構(gòu)，切削加工過(guò)程中，因切削參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致切削力不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致零件產(chǎn)生裂紋，甚至崩裂。

（3）有機(jī)玻璃切削加工后表面粗糙度較差。因?yàn)橛袡C(jī)玻璃的硬度較小，切削加工后的表面粗糙度較差。切削加工后的零件為了保證技術(shù)要求，需采用特殊拋光材料及工藝才能實(shí)現(xiàn)。

3.原加工工藝的不足

圖1所示零部件正常加工工步為：一次裝夾加工外圓，掉頭裝夾偏端面，加工止口槽及內(nèi)孔。

按該工步進(jìn)行加工時(shí)，外圓的尺寸精度及表面粗糙度易保證，可以選擇較高的切削速度，為1 800～2 000r/min，且進(jìn)給量為0.08～0.30mm/r。但是有兩個(gè)不足之處：①加工內(nèi)孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)不論如何調(diào)整鉆孔時(shí)的進(jìn)給量，且保證充足的冷卻時(shí)，外圓表面均不同程度地呈現(xiàn)出毛邊，嘗試拋光后，表面發(fā)污，無(wú)法滿足技術(shù)要求中的透明度。經(jīng)分析，該零件內(nèi)孔深達(dá)135mm，加工內(nèi)孔時(shí)，受切削條件的限制，切削熱無(wú)法快速散發(fā)，即使保證充足的切削液，還是無(wú)法形成有效的流動(dòng)循環(huán)，造成切削熱積累，加上材料本身的特性，其質(zhì)地較脆，屬熱塑性塑料，遇熱后即軟化，遇冷后又凝固堅(jiān)硬，最終切削溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致局部區(qū)域軟化變形和脆裂，造成外表粗糙，無(wú)法再次處理。②外圓成形后加工內(nèi)孔的另一個(gè)弊端，是因切削深度過(guò)大，切削力過(guò)大。而此時(shí)的零件外圓已加工完畢，加工內(nèi)孔形成薄壁結(jié)構(gòu)時(shí)，無(wú)法承受過(guò)大的切削力而容易導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋或崩裂。

4.改進(jìn)后的加工工藝

為了保證零件的尺寸精度、表面粗糙度及技術(shù)要求，提高零件的加工合格率，嘗試著在加工零件端面和端面止口槽后，先加工內(nèi)孔，為避免材料本身的彈性回彈，控制鉆削進(jìn)給量為0.05～0.08mm，同時(shí)嚴(yán)格控制切削液澆注的速率和跟隨性，確保鉆孔加工時(shí)切削溫度的一致性。內(nèi)孔加工完畢后，使用止口定位輔助工裝，如圖2所示，利用頂尖頂住止口定位工裝的輔助中心孔，保證外圓加工時(shí)的軸向限位。先加工軸外徑φ50mm后，利用切刀加工偏刀的避讓空間，然后直接一次加工成形φ20mm外徑尺寸，完成零件的切削加工。

圖 2

變更加工工序后，發(fā)現(xiàn)零件表面不存在細(xì)微脆裂紋，且無(wú)因切削溫度控制不當(dāng)造成軟化變形、材料涂抹混亂現(xiàn)象，但表面發(fā)污，無(wú)透光感，沒(méi)有有機(jī)玻璃原有的透明度，無(wú)法滿足零件的技術(shù)要求，還需要進(jìn)一步進(jìn)行拋光處理。

5.零件拋光工藝

先將零件利用水砂紙打磨，將零件表面的加工刀紋和劃痕磨平，但表面呈霧化狀，無(wú)法實(shí)現(xiàn)透明度的技術(shù)要求。經(jīng)過(guò)幾種研磨材料對(duì)比后，最終采用軟綢布混涂牙膏的拋光方式，因零件內(nèi)孔孔徑小，將家中使用的竹筷從中間劈開，纏繞軟綢布，將牙膏和水按一定比例混合調(diào)勻后作為研磨劑，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)能囁伲貜较蚓鶆蜓由熘羶?nèi)孔端面，加工后表面無(wú)車削加工痕跡，晶瑩剔透，實(shí)現(xiàn)了零件的透明度需求。完成的零件如圖2所示。

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加工工序的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)玻璃材料零件的數(shù)控加工，通過(guò)合理選擇切削用量、拋光工藝，滿足了零件尺寸精度和技術(shù)要求。