非金屬材料3204環(huán)氧玻璃布板車(chē)削加工技術(shù)研究

張劍利，李貴鋒，王戰(zhàn)備，李鳳俠

(西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 興平 713106)

非金屬材料在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但大多數(shù)非金屬材料的強(qiáng)度及加工性能較差。本研究加工的零件材料為非金屬材料3204環(huán)氧玻璃布板，材質(zhì)為玻璃纖維，具有較高機(jī)械和介電性能，耐熱性、耐潮性好，適用于機(jī)械、電氣及電子等高絕緣結(jié)構(gòu)零部件。該零件材質(zhì)利用耐高溫性好的特點(diǎn)，主要用于隔熱，防止熱傳導(dǎo)和熱輻射作用于其他零件，對(duì)其他零件的性能產(chǎn)生影響。

1 零件分析

圖1 技術(shù)要求Fig.1 Technical requirements

2 零件材料分析

零件材料為3240環(huán)氧玻璃布板，主要成分SiO2。該材料由電工玻璃布(用無(wú)堿、鋁硼硅酸鹽的玻璃纖維制成)浸以環(huán)氧樹(shù)脂(環(huán)氧樹(shù)脂具有較好的黏結(jié)強(qiáng)度和耐化學(xué)性能)經(jīng)烘干、熱壓而成。材料表面平整光滑，無(wú)皺紋和裂紋。機(jī)加過(guò)程中，材料強(qiáng)度低，抵抗外力變形能力差，在夾緊力和切削抗力的作用下工件容易發(fā)生變形，影響工件尺寸精度，造成圓度超差。目前，使用量較多的布板厚度范圍為3～30 mm，對(duì)以往加工的布板進(jìn)行綜合分析，厚度在10 mm以?xún)?nèi)的較薄布板加工表面光滑清晰(見(jiàn)圖2)，表面粗糙度容易保證，不易產(chǎn)生端面撕裂、鼓包狀況；厚度在10 mm以上的零件，厚度越大，端面撕裂情況越明顯。

圖2 較薄布板Fig.2 Thin cloth board

經(jīng)目測(cè)，熱壓的玻璃纖維電工玻璃布層厚小于0.2 mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證，較厚的布板強(qiáng)度越低，抵抗外力變形能力越差，組織較疏松，切削加工難度較大，實(shí)際加工效果見(jiàn)圖3。

圖3 較厚布板加工效果Fig.3 Thicker cloth plate processing effect

3 加工中存在的問(wèn)題及原因分析

3.1 零件精度和表面質(zhì)量

毛坯規(guī)格200×200×δ25，零件結(jié)構(gòu)為環(huán)狀。加工過(guò)程中，零件變形量較大，尺寸精度和形位精度難以保證，零件端面存在片狀撕裂和局部鼓包，不能滿(mǎn)足圖紙要求。

3.2 切削溫度對(duì)刀具的影響

環(huán)氧玻璃布板在切削加工中，考慮到切削粉末對(duì)冷卻系統(tǒng)的污染，一般不采用冷卻液冷卻。而使用風(fēng)冷方式會(huì)對(duì)空氣造成污染，一般也不建議采用。常用的方式是降低切削速度，以降低切削熱的產(chǎn)生。由于材料的熱導(dǎo)性差，刀具散熱困難，一般采用較低速度切削，當(dāng)切削速度稍高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的切屑熱，刀具和加工工件的接觸區(qū)域的溫度迅速升高，刀具產(chǎn)生氧化磨損，進(jìn)而進(jìn)入急劇磨損階段，當(dāng)?shù)毒叩那昂蟮睹嫱瑫r(shí)磨損時(shí)，則失去了切削能力。

實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)刀具的冷卻十分必要。低速切削時(shí)，加工效率低下，對(duì)于單件、小批量可采用低速切削，但對(duì)于批量加工則會(huì)造成較高的加工成本，降低設(shè)備利用率。較大批量加工時(shí)，建議采用水溶性切削液，能夠提升加工效率，且對(duì)零件加工精度和表面質(zhì)量具有良好的改善作用。

環(huán)氧玻璃布板具有較好的耐潮性和優(yōu)良的低吸水率，吸水率幾乎為0。浸水24 h后，吸水率僅為0.09%，故冷卻液的使用對(duì)零件材料的影響較小，必要時(shí)可采用干燥壓縮空氣清理零件表面水分。

選擇冷卻效果較好的水(溶液)切屑液，切削液的濃度范圍控制在3%以下，能有效降低切削區(qū)刀具、工件溫度，改善刀具與工件的摩擦，改善切削區(qū)溫度，便于排屑，從而提高刀具的使用壽命和加工表面質(zhì)量。

車(chē)削加工中，因材料的自身結(jié)構(gòu)特性，會(huì)產(chǎn)生大量的飛沫狀切屑，污染設(shè)備和切削液，令冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生堵塞，故應(yīng)使用過(guò)濾紙對(duì)切削液進(jìn)行凈化處理，零件加工完后需更換切削液并保養(yǎng)設(shè)備。

3.3 原加工工藝流程

5工序粗車(chē)圓環(huán)→10工序半精鏜孔→15工序車(chē)端面→20精車(chē)外圓→25工序精鏜孔→30工序檢驗(yàn)。

15工序車(chē)端面，裝夾方式及切削方向見(jiàn)圖4，刀具采用55°菱形刀片，刀尖R0.2。

圖4 進(jìn)給示意圖Fig.4 Schematic diagram of feed

通過(guò)加工驗(yàn)證，零件內(nèi)孔、外圓尺寸精度超差，同軸度超差，變形量約為0.2 mm，零件兩側(cè)端面呈片狀撕裂，局部有鼓包現(xiàn)象。

3.4 原因分析與加工難點(diǎn)

由于零件材料組織結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度低，抵抗外力變形能力差。在夾緊力和切削抗力的作用下，工件發(fā)生變形，影響工件尺寸精度，造成圓度超差。工藝流程安排不當(dāng)，25工序以外圓定位，零件裝夾時(shí)，在夾緊力的作用下產(chǎn)生彈性變形。零件拆卸后，零件產(chǎn)生彈性恢復(fù)，內(nèi)孔圓柱度誤差較大。在裝夾方式上，采用外圓定位，跳動(dòng)量不易控制，影響外圓相對(duì)內(nèi)孔的同軸度。選用刀具不當(dāng)，刀具的幾何角度不合理，產(chǎn)生的切削分力影響切削力的方向，使得零件端面呈撕裂狀。

零件材料組織疏松，目測(cè)布板層厚約為0.2 mm，零件總長(zhǎng)尺寸公差為±0.05 mm，需要對(duì)0.2 mm的層厚采用機(jī)械加工方法進(jìn)行剝離，每次厚度小于0.2 mm。材料制造過(guò)程中，由于是多層壓制而成，隨著層厚的增加，每層平行度存在誤差，會(huì)出現(xiàn)單層透面現(xiàn)象，局部會(huì)產(chǎn)生環(huán)狀、橢圓狀及不規(guī)則缺陷，影響零件的表面粗糙度。

4 實(shí)施工藝驗(yàn)證

通過(guò)原因分析，改善工藝流程，選用幾何角度合理的刀具，改善切削受力方向，具體措施如下：

4.1 改進(jìn)措施

零件端面存在片狀撕裂和局部鼓包問(wèn)題。機(jī)械加工中，正確選用刀具角度及角度大小尤為重要。刀具和車(chē)刀刃磨技術(shù)在機(jī)械加工中占有重要地位，而刀具切削性能的好壞主要取決于制造刀具材料、刀具的結(jié)構(gòu)、刀具切削部分的幾何參數(shù)，當(dāng)材料和刀具結(jié)構(gòu)確定后，刀具切削部分的幾何參數(shù)對(duì)切削性能的影響就十分重要。手工刃磨刀具見(jiàn)圖5，刀具選擇普通焊接刀具，硬質(zhì)合合金選用耐磨性較好的YG8材質(zhì)，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，刀具的幾何角度主偏角、副偏角為30°～40°，前角20°～30°，前角形式為圓弧型，主后角、副后角20°，刀具過(guò)渡刃采用圓弧過(guò)渡刃，R約2～3，保證刀具耐磨且鋒利，圓弧過(guò)渡刃對(duì)零件表面起到修光作用。手工刀具的刃磨中鐾刀格外重要，能夠提高刀具壽命和零件加工質(zhì)量，對(duì)零件表面光潔度的改善至關(guān)重要。現(xiàn)代機(jī)械加工中，數(shù)控刀具的廣泛使用，使得傳統(tǒng)手磨刀具已很少采用，但傳統(tǒng)的手工磨刀靈活方便，刀具輕微磨損后，可采用鐾刀予以修復(fù)，恢復(fù)刀具原有的幾何形狀和刃口的鋒利程度，故傳統(tǒng)的磨刀技藝應(yīng)繼續(xù)傳承下去。本研究采用手工刃磨刀具，解決零件表面的鼓包和片狀撕裂問(wèn)題，通過(guò)合理選擇刀具的幾何角度，刃磨出異形刀具，改變切削受力方向。

圖5 手工刃磨刀具Fig.5 Manual sharpened knives

4.2 刀具幾何角度的選擇

手工刃磨刀具關(guān)鍵角度的選擇思路：前角主要影響切削力的大小，加大前角可減小切削力，從而減小動(dòng)力消耗，降低切削溫度，減小刀具磨損，降低加工成本。后角的大小不同，將影響后刀面的傾斜程度，直接影響刀具的強(qiáng)度及刃口的鋒利程度，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量。在前角一定的情況下，想減小刀具的刃口圓弧半徑，提高刀具的鋒利程度，只能通過(guò)增大后角來(lái)獲得。當(dāng)前角、后角增大時(shí)，楔角減小，刃口圓弧減小，刀具鋒利程度提高。主偏角是確定主刀刃相對(duì)于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向偏斜程度的角度，主要影響切削層截面的形狀和參數(shù)，影響切削分力的變化、刀尖強(qiáng)度、刀具耐用度等。主偏角刃磨的大小是重要的幾何參數(shù)，依據(jù)切削厚度的計(jì)算公式可知，當(dāng)進(jìn)給量一定時(shí)，切削厚度隨著主偏角的變化而變化，主偏角減小，切削厚度減小?？赏ㄟ^(guò)改善主偏角的角度，影響切削層的厚度，改變切削的受力方向，避免片狀撕裂。副偏角是副刀刃相對(duì)于背進(jìn)給方向傾斜程度的角度，副刀刃配合主刀刃完成切除金屬層，形成工件的已加工表面，對(duì)工件的表面粗糙度影響較為明顯。副偏角的選擇等于主偏角，便于刀具往復(fù)車(chē)削，根據(jù)進(jìn)給方向的變化，實(shí)現(xiàn)主副偏角之間相互轉(zhuǎn)化。刀尖的修磨形式選用圓弧刃刀尖結(jié)構(gòu)，利用圓弧刀刃去連接主刀刃和副刀刃。刀尖圓弧上各點(diǎn)的主偏角、副偏角都小于直線(xiàn)刀刃的主偏角、副偏角，使得刀尖角增加，從而改善刀尖的散熱條件，提高刀尖強(qiáng)度，可進(jìn)一步改善鼓包和撕裂問(wèn)題。

4.3 零件內(nèi)孔、外圓尺寸精度，圓度、同軸度0.05 mm的解決措施

A.增加17工序半精車(chē)外圓，為后工序修正基準(zhǔn)外圓，保證外圓的圓柱度，圓度誤差控制在0.05 mm以?xún)?nèi),滿(mǎn)足后續(xù)定位要求，減少或消除由于定位基準(zhǔn)不良而產(chǎn)生的內(nèi)孔變形問(wèn)題。

B.增加19工序精車(chē)內(nèi)孔，本工序加工內(nèi)容為精鏜孔、平端面，以外圓為基準(zhǔn)，精鏜內(nèi)孔至尺寸，保證總長(zhǎng)尺寸，精加工斷面的進(jìn)刀方向(見(jiàn)圖6)。

圖6 精加工進(jìn)刀方向Fig.6 Finishing feed direction

C.20工序精車(chē)外圓，以?xún)?nèi)孔定位，實(shí)配心軸，心軸可采用漲力心軸，以保證定位精度。精車(chē)外圓至尺寸，利用加工方法保證25工序的同軸度0.05 mm的技術(shù)要求。

4.2 優(yōu)化后加工工藝流程及改善后的加工效果

5工序粗車(chē)圓環(huán)→10工序粗鏜孔→15工序車(chē)端面→增17工序半精車(chē)外圓→增19工序精車(chē)內(nèi)孔→20精車(chē)外圓→30工序檢驗(yàn)。

改善后的零件加工效果見(jiàn)圖7。經(jīng)檢查，尺寸精度、形位公差和表面粗糙度均滿(mǎn)足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

圖7 零件加工效果Fig.7 Part processing effect

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)不同的功能要求，非金屬材料的應(yīng)用越來(lái)越多，但多樣化的材料在實(shí)際生產(chǎn)中的選用使得機(jī)械加工難度不斷增加。對(duì)于初次接觸的新材料，應(yīng)掌握材料特性，通過(guò)不斷試制摸索，制定合理的加工方案。

本研究對(duì)問(wèn)題原因進(jìn)行深入分析，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化和刀具合理的刃磨、改變切削受力方向，有效改善了零件表面的撕裂狀況，保證了零件表面質(zhì)量、尺寸精度及形位公差要求，為加工低強(qiáng)度非金屬材料提供了新思路。