李 星 江希龍 李 松 陳 曦 馬 駿

（北京空間機(jī)電研究所，北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

0 引言

PEEK（聚醚醚酮）做為一種新型熱固性工程材料［1-2］在航空航天、汽車行業(yè)、電子電器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景［3］。碳纖維（CF）是一種高強(qiáng)度、高模量、低密度增強(qiáng)材料，采用30%碳纖維增強(qiáng)PEEK可克服普通材料彈性模量低、軟化溫度低、抗溶劑性差、纖維／樹脂粘接強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能（表1），在航空、航天、航海、機(jī)械、電氣、生物工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［4］。目前國內(nèi)外對PEEK／450CA30材料的成型機(jī)理研究較多且較為成熟，機(jī)械加工性能及工藝方面研究較少。本文通過對PEEK／450CA30遮光罩零件的加工特性及加工工藝進(jìn)行了分析，通過切削試驗(yàn)確定了加工工藝參數(shù)及熱處理參數(shù)，解決了其加工中的技術(shù)難題。

表1 PEEK／450CA30物理及力學(xué)性能Tab.1 Physical／mechanical properties of PEEK／450CA30

1 PEEK／450CA30遮光罩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)分析

圖1所示為光學(xué)遙感器上使用的PEEK／450CA30遮光罩，主要用于消除太空中對遙感相機(jī)鏡頭的有害雜散光，對結(jié)構(gòu)質(zhì)量及尺寸精度有嚴(yán)格要求。

圖1 PEEK／450CA30遮光罩結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural form of PEEK／450CA30 lens hood

1.1 遮光罩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PEEK／450CA30遮光罩的結(jié)構(gòu)（圖2）為典型薄壁結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)要求如下：

（1）零件為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，為了有效消除雜、散光，內(nèi)部分布了數(shù)十個(gè)間距不等、大小不同的方形光闌片，形成了整體帶角度的錐形通光孔；

（2）內(nèi)部方形光闌片厚度1 mm，內(nèi)切槽深度最大30 mm，且有45°刃口，各處壁厚均為1 mm；

（3）連接平面度要求為0.01 mm。

圖2 PEEK／450CA30遮光罩設(shè)計(jì)要求Fig.2 Design requirement of PEEK／450CA30 lens hood

1.2 加工難點(diǎn)分析

（1）PEEK／450CA30材料大尺寸棒料成型困難，內(nèi)應(yīng)力大。分析PEEK／450CA30材料制備工藝過程，材料屬于熱固性材料，由于成型壓力、剪切應(yīng)力、各向異性、模溫不勻，硬化不均等因素的影響，會形成較大內(nèi)應(yīng)力［5］，注塑成型過程中，源于熔體中纖維的流動取向，所以這種注塑材料的力學(xué)行為會呈現(xiàn)明顯的各向異性［6-7］，因此，原材料尺寸越大，成型過程中的內(nèi)應(yīng)力就越大，加工過程中因應(yīng)力集中容易出現(xiàn)開裂。

（2）PEEK材料具有良好的加工性能，但通過比強(qiáng)度高、脆性的碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)后，使PEEK強(qiáng)度提高、脆性增大，加劇了該材料在加工過程中的刀具磨損和因材料脆性導(dǎo)致開裂的風(fēng)險(xiǎn)，磨損方式主要為刀具前刀面磨損，如圖3中光亮處所示。

（3）零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、整體壁薄、剛性差，加工過程中易發(fā)生顫振，影響加工精度及刀具磨損。整個(gè)零件要求保證的尺寸超過100處，內(nèi)腔有19層壁厚為1 mm的方孔形光闌片，每處光闌片的邊緣要求為45°尖角，最深內(nèi)槽30 mm，深槽位置需要使用加長桿和專用刀具才能實(shí)現(xiàn)加工，連接面的平面度要求0.01 mm。

圖3 刀具磨損情況Fig.3 Tool wear condition

2 PEEK／450CA30遮光罩加工過程設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，要解決PEEK／450CA30遮光罩加工難題，需要從控制原材料內(nèi)應(yīng)力、避免刀具快速磨損、降低結(jié)構(gòu)難度等方面著手，并需要合理設(shè)計(jì)工藝流程及工藝參數(shù)保證產(chǎn)品加工精度。

2.1 工藝措施

（1）拆分零件，降低材料成型及加工難度。將圖2零件拆分為圖4兩個(gè)部分，采取螺紋連接的方式組合成一體。首先，拆分后產(chǎn)品長度減半，原材料成型長度縮短，降低了成型難度，同時(shí)隨著原材料體積縮小，注塑過程中有效降低了原材料的內(nèi)應(yīng)力分布；其次，長度減少后，特別是內(nèi)部深孔及內(nèi)槽結(jié)構(gòu)，加工時(shí)懸臂結(jié)構(gòu)變短，有利于產(chǎn)品加工。

圖4 拆分后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural sketch after splitting

（2）從材料成型和熱處理兩方面控制材料內(nèi)應(yīng)力。采用管料替代棒料，減少加工去除量，通過多次熱處理降低原材料內(nèi)應(yīng)力及提高結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性。

（3）合理劃分加工階段，采用粗加工、半精加工、精加工等3個(gè)階段完成精密加工。過程中需嚴(yán)格控制每個(gè)加工階段的切削量：粗加工切削量，每次切深不超過0.2 mm；半精加工和精加工切深控制在0.1 mm以內(nèi)，過程中穿插熱處理及尺寸穩(wěn)定化，控制及消除切削應(yīng)力。

（4）合理安排加工順序，考慮加工過中銑削的力較大，車削的力相對小，采取先進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的銑削加工，后進(jìn)行外部結(jié)構(gòu)的車削，光闌片壁厚為1mm，加工后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)薄弱，造成零件失穩(wěn)，易造成產(chǎn)品開裂、產(chǎn)品精度難以保證等問題，所以采取先銑削后車削的工序安排。

2.2 工藝流程

針對PEEK／450CA30遮光罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝難點(diǎn)及所采取的工藝措施設(shè)計(jì)了工藝流程，見圖5。

圖5 PEEK／450CA30遮光罩加工工藝流程Fig.5 Processing process of PEEK／450CA30 lens hood

2.3 PEEK／450CA30材料試驗(yàn)

材料的切削性能可以通過刀具耐用度、切削力、切削溫度、表面粗糙度等指標(biāo)來衡量。本文從刀具耐用度、切削力、切屑連續(xù)性以及熱處理方面進(jìn)行工藝試驗(yàn)，通過分析得出PEEK／450CA30材料的切削參數(shù)和熱處理參數(shù)。

試驗(yàn)材料采用PEEK／450CA30棒材，規(guī)格為φ100 mm×250 mm；加工設(shè)備分別采用SPINNER數(shù)控車床／DMU125P進(jìn)行車削和銑削加工；試驗(yàn)刀具采用YG6X硬質(zhì)合金刀／PCD金剛石鑲片刀。

試驗(yàn)方法：分別采用YG6X硬質(zhì)合金刀／PCD金剛石鑲片刀，在相同的切削速度、進(jìn)給量、切削深度工藝參數(shù)下，采用Kistler測力儀測量切削力，采用HLEO精密投影測量儀測量刀具的磨損量，采用粗糙度儀測量表面粗糙度。

3 結(jié)果與討論

3.1 刀具耐用度

在刀具試驗(yàn)中，切削長度每10 mm檢驗(yàn)刀具磨損情況，磨損程度對比結(jié)果見表2?？梢奝CD刀具磨損量明顯低于YG6X，因此更適用于PEEK／450CA30材料的加工。

表2 YG6X／PCD刀磨損程度Tab.2 Wear degree of YG6X／PCD tool

3.2 切削力

得出YG6X和PCD刀具在同樣切削速度下加工PEEK／450CA30材料的切削力如圖6所示。可見，采用PCD刀具加工PEEK／450CA30的切削力明顯降低。

圖6 刀具切削力（v C＝100 m／min）Fig.6 Cutting force of tool（v C＝100 m／min）

3.3 切屑連續(xù)性

隨著切削的進(jìn)行，切削由帶狀［圖7（a）］轉(zhuǎn)化為細(xì)屑狀［圖7（b）］，是由于刀具磨損導(dǎo)致切削不連續(xù)，切削過程由單純的切削轉(zhuǎn)為切削+擠壓的復(fù)合過程，加工表面也隨之發(fā)生變化，由最初的光亮表面轉(zhuǎn)為紋路明顯的表面（圖8）。

圖7 PEEK／450CA30切屑Fig.7 Chips of PEEK／450CA30

通過切削加工試驗(yàn)，確定的PEEK／450CA30材料加工工藝參數(shù)如表3所示。

圖8 PEEK／450CA30試件加工表面Fig.8 Machining surface of specimen of PEEK／450CA30

表3 PEEK／450CA 30材料加工參考工藝參數(shù)Tab.3 Reference process parameters of PEEK／450CA30

表3中所示參數(shù)選用原則如下：

（1）粗加工階段，宜采取較小切削速度、進(jìn)給量相對大的方式，以保證生產(chǎn)效率；

（2）半精加工和精加工階段，宜采取切削速度較大、進(jìn)給量和切深量較小的方式，以保證產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量。

3.4 尺寸穩(wěn)定化處理

目前，尺寸穩(wěn)定化處理一般有熱處理、自然時(shí)效、超聲振動時(shí)效等方式。本文采用熱處理的方式對PEEK／450CA30原材料進(jìn)行消除應(yīng)力，通過對PEEK／450CA30復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，改善力學(xué)性能的同時(shí)，可以一定程度上消除其內(nèi)應(yīng)力［7］。

通過試驗(yàn)，對PEEK／450CA30材料進(jìn)行熱處理（圖9）能夠有效消除該材料的內(nèi)應(yīng)力，有助于改善產(chǎn)品的機(jī)械加工性能、保證產(chǎn)品尺寸精度及形位精度。

圖9 PEEK／450CA30熱處理／尺寸穩(wěn)定化曲線Fig.9 Temperature curve of heat treatment／size stabilization treatment of PEEK／450CA30

通過上述措施，成功加工PEEK／450CA30薄壁件（圖10），主要精度指標(biāo)實(shí)測如下：

（1）光闌片壁厚尺寸實(shí)測（1±0.05）mm，整體壁厚（1±0.05）mm；

（2）安裝面平面度0.01 mm；

（3）加工表面粗糙度Ra1.6μm。

該零件滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)空間飛行驗(yàn)證，能夠滿足空間使用條件。

圖10 PEEK／450CA30遮光罩產(chǎn)品Fig.10 PEEK／450CA30 lens hood

4 結(jié) 論

（1）針對PEEK／450CA30的薄壁結(jié)構(gòu)件，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效降低材料成型難度和加工難度。

（2）采用PCD刀具加工PEEK／450CA30材料，可以保證尺寸精度和良好的表面粗糙度。

（3）對PEEK／450CA30進(jìn)行熱處理，可以在一定程度上消除內(nèi)應(yīng)力，降低零件加工開裂風(fēng)險(xiǎn)；可以起到尺寸穩(wěn)定化的效果，保證零件尺寸形位精度。