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        聚四氟乙烯材料零件車削加工方法探索

        2014-12-02 01:36:30中國工程物理研究院四川綿陽621900白寶州楊慶輝
        金屬加工(冷加工) 2014年22期
        關(guān)鍵詞:精車聚四氟乙烯裝夾

        ■中國工程物理研究院(四川綿陽 621900)白寶州 楊慶輝

        1.引言

        聚四氟乙烯俗稱“ 塑料王”,是一種耐高溫、耐腐蝕的特種工程塑料,具有優(yōu)良的電絕緣性、耐老化性能,以及吸水性小、摩擦因數(shù)低、自身潤滑摩擦性能優(yōu)異等特點(diǎn),幾乎能耐所有化學(xué)藥品的腐蝕,可在-180~250 ℃條件下長期使用,廣泛應(yīng)用在化學(xué)化工和航空航天工業(yè)上。但由于強(qiáng)度低、剛性差、冷流性大、不能注射成型,需燒結(jié)成型。對于單件小批量這類零件的需求,一般需選用臥式車床車削加工而成,材料毛坯一般選用外購成型的板材或棒材。

        2.零件結(jié)構(gòu)工藝分析

        某零件結(jié)構(gòu)如圖1所示,材料為聚四氟乙烯,加工數(shù)量為20件,內(nèi)徑尺寸203+0.185+0mm以及平面度0.2 mm為關(guān)鍵控制要素。零件屬薄壁非金屬材料加工件。形狀雖然簡單,但零件自身散熱性差、熱膨脹系數(shù)大,使零件車削過程產(chǎn)生較大的熱變形影響,帶來尺寸和形狀公差控制的不確定性。所以必須在特定環(huán)境下,設(shè)計(jì)適合的工裝,摸索合理的加工工藝參數(shù)來保證零件精度要求。

        由于聚四氟乙烯材料的線膨脹系數(shù)為10×10-5(1/℃),且熱傳導(dǎo)性差,切削液難以充分將工件熱量帶走,連續(xù)加工存在一個(gè)較大的溫升趨勢,實(shí)際上工件溫度每升高10℃,工件熱膨脹將增大0.21 mm,已超出零件公差要求,當(dāng)工件達(dá)到這樣的膨脹量時(shí),對車削工件端面將會產(chǎn)生更大影響,由于被零件夾持,工件向外膨脹受到限制,工件變形只有向內(nèi)凹或向外弧形鼓出,其數(shù)量最大可達(dá)到幾毫米。端面車削后將會出現(xiàn)一個(gè)中間變厚的趨勢。因此加工該材料零件,需嚴(yán)格控制溫升,控制溫度的措施除了外界冷卻外,主要是由切削參數(shù)決定。

        零件加工難點(diǎn)主要是:薄壁非金屬零件車削加工因溫度變化對形狀及尺寸影響較大,加工該零件需解決好以下幾處:①如何選擇適合的溫度環(huán)境進(jìn)行加工。②如何選擇適合的刀具及切削參數(shù)。③如何選擇合理的工藝路線及工裝。

        3.加工工藝試驗(yàn)

        零件毛坯采用20 mm厚聚四氟乙烯板材,鋸切成正四邊形料,在臥式車床上一夾一頂車出外圓作為毛坯。最初工藝試驗(yàn)制定的工藝路線為:頂車外圓→粗車內(nèi)型面→精車內(nèi)型面→車另一端面→車成。各工序間,最后精車需工件充分冷卻后再進(jìn)行,工件裝夾采用配車銅爪裝夾,夾持力度很小,依靠手感達(dá)到最低限度滿足車削要求。按此工藝路線加工后,工件沒有滿足要求,檢測結(jié)果為:內(nèi)底面平面度在0.35 mm左右,外底面平面度在0.65 mm左右,均為外凸面,底板厚度及形狀不能滿足要求;需控制內(nèi)徑尺寸,加工中按上偏差控制,加工后仍超差0.10 mm左右,主要由工件的圓度誤差和錐度誤差引起工件尺寸超差。

        圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

        工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝分析的變形趨勢,加工中采用了控制刀具、切削參數(shù)以及充分冷卻等降低溫升措施,但仍不足以抵消切削過程自身發(fā)熱的變形影響。工件到最后精車時(shí),剛性太弱,即使很小的夾緊力,也會產(chǎn)生較大的夾持變形。要想避免這些因素的影響,還應(yīng)減小裝夾變形,對熱變形進(jìn)行釋放,減小環(huán)境溫度變化對加工尺寸的影響。

        4.工藝措施

        通過對變形原因的分析,須采用合理的工藝措施釋放變形,穩(wěn)定加工環(huán)境的溫度,在刀具上增大刀具的前角和后角,使刀尖更加鋒利,減少切削力。在切削參數(shù)上,減小吃刀深度,適當(dāng)增大走刀量,減小一次走刀過程的發(fā)熱量,新制定的工藝路線為:粗車外圓→粗車內(nèi)型面→車工藝夾頭→精車內(nèi)型面→車另一端面→粗車內(nèi)型面→車成。新方案加工示意圖如圖2~圖3所示。

        內(nèi)型面精車,采用夾持工藝夾頭,工件緊貼自定心卡盤,車削工件端面外圈時(shí)熱脹變形為自由狀態(tài),以降低對內(nèi)端面的影響,內(nèi)孔加工未受自定心卡盤直接夾持,裝夾變形大幅減小,加工時(shí)考慮熱脹影響,仍按上偏差尺寸控制,適當(dāng)預(yù)留熱脹后回縮量。外圓及端面加工采用心軸裝夾的型式,工件內(nèi)孔加工好后,按內(nèi)孔配制過盈心軸,配合過盈量根據(jù)工藝試驗(yàn)熱脹情況控制在0.10~0.15 mm之間,通過預(yù)變形抵消工件的熱脹變形,過盈裝配后,工件不需要夾緊,夾緊過盈心軸即能加工,車削過程中,仍需控制溫升,使工件始終處于拉緊狀態(tài),同時(shí)拉緊狀態(tài)下避免工件端面的熱脹變形。

        圖2 內(nèi)型面加工示意圖1.三爪卡盤 2.工件 3.車刀

        圖3 端面外圓加工示意圖

        加工時(shí)采用先加工端面后加工外圓,外圓精車后出現(xiàn)熱脹變形,工件可輕松取下工裝。加工過程在恒溫(20±2)℃房間進(jìn)行,避免外部環(huán)境溫度不一致引起尺寸的變化。

        5.結(jié)語

        零件批量加工完畢,各項(xiàng)要求達(dá)到了理想的效果,內(nèi)徑尺寸普遍控制在203.05~203.13 mm之間,底面平面度未超過0.15 mm。在非金屬材料聚四氟乙烯的加工中,通過優(yōu)化切削參數(shù)、控制溫升以及采用過盈工裝預(yù)變形處理,可以大幅減小該材料車削加工中的熱變形影響。使該類零件的批量加工得到了質(zhì)量保證,同時(shí)該加工方法還有利于提高生產(chǎn)效率。

        [1]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

        [2]張耀寰.機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,1987.

        [3]孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

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