劉春梅，劉蔚豪

(中國工程物理研究院電子工程研究所 一車間，四川 綿陽 621900)

聚四氟乙烯是目前化工行業(yè)最新型的工程塑料，號稱“塑料王”。與普通的塑料相比，聚四氟乙烯具有耐高低溫性、耐化學腐蝕和耐候性、摩擦因數(shù)低、優(yōu)異的電氣絕緣性、不粘性等眾多優(yōu)良品質，在石油化工、機械、船舶、電子通信等領域中得到日益廣泛應用。但由于強度低、剛性差、冷流性大、不能注射成型，需燒結成型。對于小批量零件，一般采用在金屬切削機床上進行車削加工成型，毛坯材料一般選用棒材或成型板材。該材料的加工性能、切削規(guī)律、刀具結構、切削量與常規(guī)金屬材料存在差異，切削力小，線膨脹系數(shù)大，韌性強，加工過程中不易斷屑，熱敏感性高，切屑易纏繞在工件表面(見圖1)造成加工中斷，需停機清理切屑。中國工程物理研究院電子工程研究所的產(chǎn)品進液墊片(見圖2)材料采用聚四氟乙烯，加工過程中由于纏屑造成工件尺寸不易保證，加工鉆頭折斷，無法實現(xiàn)自動循環(huán)連續(xù)加工[1-4]。

圖1 工件表面纏繞切屑

圖2 進液墊片

為應對切屑纏繞問題，通常是在數(shù)控機床不斷開關門的狀態(tài)下進行加工，人必須寸步不離地守在機床旁邊，用氣槍吹切屑，讓切屑及時掉落(見圖3)，每加工1件至少開門3次(程序加工時間3 min)，此方法加工效率低、勞動強度大，壓縮空氣產(chǎn)生的噪聲會對操作者造成職業(yè)危害。統(tǒng)計現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)100件加工時間為8 h，去毛刺時間為4 h。

圖3 用氣槍吹切屑

1 零件結構工藝性分析

該零件材料為聚四氟乙烯，由臺階外圓、內孔、徑向孔組成，零件表面質量要求較高，禁止有飛邊、毛刺產(chǎn)生。形狀雖然簡單，但該零件自身散熱性差，熱膨脹系數(shù)大，使零件車削過程中產(chǎn)生較大的熱變形影響，由于徑向孔與軸向孔交叉導致相交處產(chǎn)生較多飛邊，手工去除難度較大。

2 聚四氟乙烯材料車削特性分析

聚四氟乙烯具有較小的熱導率，僅為0.27 W/(m·K)，耐熱溫度低，較高的切削溫度會使材料發(fā)生軟化，出現(xiàn)“粘刀”現(xiàn)象。由于具有較大的熱膨脹系數(shù)，在車削過程中會因摩擦產(chǎn)生較大的熱量，使工具發(fā)生彈性變形，影響工件的表面質量和尺寸精度。此外，材料彈性模量低，車削加工過程中在摩擦力以及刀具施加給工件的力共同作用下，導致工件表面產(chǎn)生飛邊毛刺，從而影響工具的加工精度和使用性能。

3 加工難點分析

此零件的加工工藝路線為粗車外圓→鉆孔→粗加工徑向孔→精鏜內孔→精車外圓→精徑向孔→切斷。由于切屑纏繞使得加工中斷無法連續(xù)進行，頻繁停機開門清理切屑導致加工效率低下，無法實現(xiàn)循環(huán)連續(xù)加工。經(jīng)分析切屑纏繞主要集中在如下環(huán)節(jié)。

3.1 外圓加工

粗車外圓過程中，加工余量大，加工路線由右端至左端，粗加工時由于切屑的重力作用使切屑垂在工件下方，但在車削終點時由于切屑變細，切削在高速旋轉力的作用下纏繞在工件表面，同時還將之前的切屑全部卷起來，造成車削難以繼續(xù)下去。

精加工時，為保證尺寸，刀具比較鋒利，余量小，產(chǎn)生的切屑呈細絲狀，纏繞在工件表面高速旋轉導致工件尺寸不穩(wěn)定。

3.2 徑向孔加工

徑向鉆孔時，鉆頭直徑僅有0.65 mm，長度5 mm，鉆頭長徑比達7以上，剛性極差，加工過程中若出現(xiàn)工件表面有纏屑現(xiàn)象，在鉆孔過程中易將鉆頭折斷，造成無法繼續(xù)加工。徑向貫通孔與軸向孔交叉處產(chǎn)生毛刺較大，且手工去除難度較大，無法滿足設計需求。

4 解決措施

4.1 外圓加工改變走刀路線

根據(jù)現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，粗車纏屑經(jīng)常發(fā)生在車削收尾階段，此時靠近卡盤端面，在高速旋轉產(chǎn)生的向心力作用下纏繞在工件表面。通過不斷的加工試驗，總結材料特性，利用逆向思維改變加工走刀路線，同時在切入時由直線切入改為斜線切入，保證入刀口光滑沒有毛邊，為后續(xù)工步提供好的基本面。外圓精車后刀具提升0.3 mm，沿外輪廓路線重復一次，利用刀具作為工具，趕走殘留在外圓上的切屑[5-6]。改進前后加工路線示意圖如圖4所示。

a)改進前

b)改進后圖4 改進前后加工路線示意圖

4.2 合理選擇刀具角度

刀具結構是否合理與刀具的幾何參數(shù)有著重要關系，刀具幾何角度選擇是否合理，能影響到加工質量和生產(chǎn)率以及刀具的使用壽命。刀具幾何角度中，刀具前角直接影響切削力、切削溫度和切削功率[7-10]。

1)增加前角，可使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小。對于聚四氟乙烯材料，由于工件材料強度、硬度較低，應選取相對較大的前角，從而減小切削力并降低切削熱。

2)刀具后角的主要作用是減小厚刀面與過渡表面之間的摩擦，由于切屑形成過程中的彈性、塑性變形和切削刃倒圓半徑作用，在過渡表面上形成一個彈性恢復層，是工件產(chǎn)生飛邊毛刺的主要原因，因此應選取較大刀具后角，從而減小刀具和聚四氟乙烯工件之間的摩擦力，降低工件的局部過熱現(xiàn)象，減小飛邊毛刺的產(chǎn)生，提高工件表面的加工質量。

3)刃傾角主要影響刀頭的強度、切削分力和排屑方向。刃傾角大小的選取對已加工表面的質量起到很大的影響。為控制切屑的流出方向，避免切屑纏繞在工件表面，使切屑流向待加工表面，最后沿端面自然墜落。數(shù)控成型刀具的刃傾角一般為3°，無法明顯實現(xiàn)控制非金屬材料的排屑方向，將數(shù)控成型刀具進一步刃磨成8°，同時將排屑槽刃磨成圓弧過渡，避免切屑堆積纏繞。

刃磨刀具示意圖如圖5所示。

圖5 刃磨刀具示意圖

4.3 徑向孔加工利用鉆頭自身去屑

聚四氟乙烯材料在鉆孔加工中，最大的問題是如何及時去屑。為解決徑向鉆孔時由于纏屑造成刀具折斷，可采取如下措施。

1)選取小螺旋角和具有較多容屑槽的鉆頭，利于切屑排出。

2)鉆孔時采用小進給、勤退刀的方式保證及時取出切屑，從而提高鉆孔加工的表面質量。

3)應在鉆頭切入前徹底清除工件上的切屑，經(jīng)過反復試驗，可利用冷卻液的自身壓力實現(xiàn)清理切屑。在徑向鉆頭靠近工件時通過程序控制機床開啟冷卻液噴淋，利用水壓清理徑向鉆頭上殘留的切屑和工件上的部分切屑。開始鉆孔時關閉噴水，方便切屑順著鉆頭螺旋槽排除，此時若保持開啟冷卻液，水壓將干擾切屑排出而纏繞在鉆頭表面，將鉆頭折斷。鉆孔加工程序將一次鉆到深度改為自動循環(huán)進、退刀加工，鉆一下退一下，便于切屑排出。

4.4 切削液的恰當運用

切削液對減小零件的熱變形起著重要作用。切削液通過液體的熱傳導作用，把切削區(qū)內刀具、工件和切屑上大量的切削熱帶走，降低切削溫度，提高刀具耐用度和工件的表面質量。在車削聚四氟乙烯塑性材料時，采用乳化液、高壓大流量，不僅有利于斷屑，也可在一定程度上減小零件的熱變形。

5 實踐效果

通過更改加工路線，充分利用冷卻液的壓力實現(xiàn)自動清除切屑，通過機床的自動拔料器實現(xiàn)自動循環(huán)加工，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，生產(chǎn)效率提高40%以上，產(chǎn)品精度穩(wěn)定可靠，不需要操作人員頻繁停機清理切屑，實現(xiàn)了自動循環(huán)加工。

6 結語

綜上所述，聚四氟乙烯具有強度低、硬度小、熱傳導性差、熱膨脹系數(shù)高等特性。在車削聚四氟乙烯時，根據(jù)工件材料的性能及加工條件、加工質量要求，通過選擇合理的走刀路線和合適的刀具角度，充分利用機床自身冷卻液壓力，保證了加工精度，避免了纏屑及自動循環(huán)加工過程中的頻繁開機，提高了加工效率和加工質量。