摘要：聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能而成為生產(chǎn)制造電子通信、航空航天等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的重要材料。相比模壓燒結(jié)工藝，切削工藝能夠更高效地加工結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的PTFE零部件。然而，PTFE材料具有韌性強(qiáng)、回彈性高、導(dǎo)熱性差和線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，使得其切削加工質(zhì)量難以保證，在一些特殊領(lǐng)域，對(duì)PTFE零部件的表面潔凈度更是有極高的要求，這些都對(duì)PTFE材料的切削工藝提出了新的挑戰(zhàn)。從PTFE材料的基礎(chǔ)力學(xué)和物理化學(xué)等特性出發(fā)，總結(jié)了PTFE材料的切削加工性；結(jié)合聚合物切削理論及其研究方法分析了PTFE材料的切削去除機(jī)理；闡述了PTFE及其復(fù)合材料的車、銑、鉆等切削加工工藝；最后概述了PTFE材料切削工藝在相關(guān)重要領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并從材料性能研究、基礎(chǔ)切削理論研究、切削工藝探索等方面總結(jié)了現(xiàn)有研究和應(yīng)用中存在的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯；切削機(jī)理；切削工藝；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TH16

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.03.012

1聚四氟乙烯材料切削加工研究現(xiàn)狀

聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）是一種以四氟乙烯作為單體聚合而成的高分子聚合物，于1938年由美國(guó)杜邦公司的Plunkett博士發(fā)明［1］。PTFE的分子表達(dá)式為-［CF2-CF2-］-n，其分子鏈具有螺旋構(gòu)象，較大的氟原子與碳碳鏈骨架緊密地堆砌，連接在碳原子的兩個(gè)氟原子完全對(duì)稱，使其成為完全的非極性聚合物，并使分子間的吸引力和表面能較低［2］，這使PTFE具有良好的自潤(rùn)滑性、耐酸耐堿性、耐高溫性，可以在-180～260℃的工況下長(zhǎng)期使用［3-5］，因此，PTFE被廣泛應(yīng)用于電子通信、航空航天、光伏發(fā)電和生物醫(yī)療裝備制造領(lǐng)域［6-8］。

由于PTFE材料的熔融黏度極高，當(dāng)外界溫度超過(guò)其結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度（327℃）時(shí)，雖然PTFE材料呈熔融狀態(tài)，但是流動(dòng)性極差，且PTFE對(duì)無(wú)定形狀態(tài)下的剪切很敏感，容易產(chǎn)生熔體破裂［9］，故通常使用模壓成形的方法生產(chǎn)PTFE棒、板、圓管等毛坯和形狀簡(jiǎn)單的零件。對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或應(yīng)用于特殊場(chǎng)合的PTFE零部件，還需進(jìn)行二次加工，其中，切削加工應(yīng)用最為廣泛，如圖1所示。首先在室溫下將PTFE粉末置于模具中壓制成密實(shí)的預(yù)成形品，此時(shí)PTFE材料呈結(jié)晶相和無(wú)定形相混合的狀態(tài)；再將預(yù)成形品置于燒結(jié)爐內(nèi)，加熱到熔點(diǎn)以上，使其結(jié)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形相，形成密集、連續(xù)、透明的彈性體，之后通過(guò)降溫得到PTFE毛坯［10］；最后通過(guò)車削、銑削、鉆削和復(fù)合加工等方式將毛坯加工成形。然而，PTFE材料的回彈性高、彈性模量低、剛度和導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)高等特性均不利于機(jī)械加工，給PTFE材料的高質(zhì)量、高性能切削加工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

從發(fā)明PTFE至今，由于其切削加工技術(shù)在各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域內(nèi)的重要性和迫切需求，研究人員開(kāi)展了廣泛的研究?；凇犊茖W(xué)引文索引（SCI）》、《工程索引（EV2-EI）》、《中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）》檢索統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)外PTFE材料切削加工技術(shù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)報(bào)道如圖2所示，尤其是近十年來(lái)，相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中包含許多具有代表性的文獻(xiàn)。此領(lǐng)域研究人員主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：①PTFE材料的切削加工性；②PTFE材料的切削加工理論；③PTFE材料的切削加工工藝（刀具、切削參數(shù)、冷卻技術(shù)等）；④PTFE復(fù)合材料的切削加工工藝。根據(jù)統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，在2015年的全球氟聚合物市場(chǎng)中，PTFE及其衍生物產(chǎn)品占比高達(dá)60%，且其全球市場(chǎng)占比正以每年7%的增速增長(zhǎng)；到2022年，全球PTFE需求達(dá)到29億美元［11-12］。目前，世界范圍內(nèi)PTFE材料的主要供應(yīng)商有旭硝子株式會(huì)社（日本）、科慕（美國(guó)）、大金株式會(huì)社（日本）、3M（美國(guó)）等。我國(guó)雖然是PTFE材料的生產(chǎn)大國(guó)，但是PTFE材料相關(guān)產(chǎn)品的性能與國(guó)際先進(jìn)水平差距很大，國(guó)內(nèi)PTFE材料切削加工相關(guān)的研究也不夠系統(tǒng)。隨著我國(guó)“十四五”規(guī)劃的提出，在航空航天、電子通信、光伏發(fā)電和生物醫(yī)療裝備制造等重要領(lǐng)域必然會(huì)對(duì)PTFE零部件和其切削加工工藝提出新的要求。

本文基于PTFE材料的材料特性、切削加工性和切削加工理論，對(duì)PTFE材料及其復(fù)合材料的切削工藝和應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，根據(jù)PTFE材料切削加工過(guò)程中存在的主要科學(xué)問(wèn)題和研究焦點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，為PTFE材料的切削加工提供理論依據(jù)。

2PTFE材料的切削加工性

PTFE材料在切削加工過(guò)程中被切削層在刀具作用下與工件表面分離，該過(guò)程是不可逆的且伴隨有大應(yīng)變和高溫狀態(tài)下的大變形，其中切削力、切削熱、振動(dòng)、加工表面質(zhì)量等物理現(xiàn)象都與切削變形有關(guān)［13］。切削加工過(guò)程中材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能是影響其切削變形的主要因素。PTFE材料具有強(qiáng)度和剛度低、硬度小、導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，使得其切削加工性較為獨(dú)特。

從微觀角度出發(fā)，如圖3所示，PTFE材料的分子鏈中每個(gè)碳原子連接的兩個(gè)氟原子完全對(duì)稱，使PTFE成為完全的非極性聚合物。分子鏈的完全非極性是導(dǎo)致PTFE材料宏觀上力學(xué)性能不佳的主要原因［14］。為探究PTFE材料力學(xué)性能對(duì)其切削加工性的影響規(guī)律，研究者借助標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能檢測(cè)技術(shù)研究了PTFE材料在不同溫度、不同工況下的力學(xué)性能（如拉伸壓縮強(qiáng)度、蠕變、硬度等）［15-19］。表1列出了被廣泛報(bào)道的PTFE材料力學(xué)性能參數(shù)。

此外，根據(jù)圖3所示的PTFE分子鏈螺旋構(gòu)象，該結(jié)構(gòu)中氟原子與骨架碳原子的連接和緊密堆砌使得分子鏈產(chǎn)生很大剛性，分子鏈的高度規(guī)整又使PTFE產(chǎn)生高度結(jié)晶，這樣便決定了PTFE具有高耐熱性和高熔點(diǎn)［20］。但是，PTFE材料的熱導(dǎo)率較低，約0.20～0.24W/（m·K）。其線膨脹系數(shù)較大，約10×10-5～15×10-5m/（m·K），且對(duì)溫度較為敏感，在特定溫度（15～25℃）下會(huì)發(fā)生突變［21］。

PTFE作為非晶態(tài)高分子材料，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg是其重要性質(zhì)之一［22-23］。該溫度是指非晶態(tài)高分子材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對(duì)應(yīng)的溫度，對(duì)材料的工藝性能有重要影響，如圖3所示。非晶態(tài)高分子材料通常處于玻璃態(tài)、高彈態(tài)（橡膠態(tài)）、黏流態(tài)三種物理狀態(tài)。在非晶態(tài)高分子材料切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱足以達(dá)到甚至超過(guò)材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg，使材料呈現(xiàn)出不同的切削特性，并影響切削質(zhì)量。當(dāng)切削加工過(guò)程材料溫度大于或等于Tg時(shí)，非晶態(tài)高分子材料的分子鏈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，材料呈現(xiàn)高彈特性甚至黏流特性，由于此時(shí)材料屈服強(qiáng)度較低，故能夠獲得較為光滑的已加工表面［24］。反之，當(dāng)切削加工過(guò)程材料溫度小于Tg時(shí)，非晶態(tài)高分子材料處于玻璃態(tài)，材料呈現(xiàn)出高斷裂伸長(zhǎng)率和高模量，此時(shí)獲得的已加工表面更為粗糙［25］。

目前，PTFE材料應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)廠家眾多，在材料制備技術(shù)、生產(chǎn)工藝等因素的影響下，來(lái)自不同渠道的PTFE材料自身的基礎(chǔ)物理化學(xué)性能出現(xiàn)差異，其中，包括玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg。為精準(zhǔn)調(diào)控PTFE材料的切削工藝，必須對(duì)其Tg進(jìn)行準(zhǔn)確高效的測(cè)量。本文統(tǒng)計(jì)了使用不同方法測(cè)量所得PTFE的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，見(jiàn)表2。

綜上所述，可以將PTFE材料的切削加工性總結(jié)為以下方面：

（1）PTFE材料的切削力一般為金屬材料的1/20～1/10。由于PTFE材料具有彈性模量低、剛度差等力學(xué)特點(diǎn)，致使其在切削加工過(guò)程中的切屑不能被完全去除［32］，并且可能會(huì)出現(xiàn)“避刀”現(xiàn)象。最終導(dǎo)致出現(xiàn)加工毛刺、邊緣過(guò)切、亞表面損傷和加工尺寸精度不佳等問(wèn)題。

（2）PTFE材料的導(dǎo)熱性較差，若切削溫度過(guò)高且無(wú)法及時(shí)散發(fā)而累積在切削加工區(qū)域，會(huì)使PTFE材料“軟化”，甚至出現(xiàn)“粘刀”“焦化”等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致工件表面質(zhì)量差等問(wèn)題。

（3）PTFE較大的線膨脹系數(shù)和對(duì)溫度的敏感性則要求必須對(duì)其加工溫度加以精確控制，避免由切削溫度累積造成的工件變形，導(dǎo)致工件加工精度下降。

3PTFE材料切削加工理論與工藝

3.1PTFE材料的切削加工理論

聚合物材料的廣泛應(yīng)用使其切削加工理論也得以發(fā)展。對(duì)聚合物材料切削去除機(jī)理的研究最早可追溯到20世紀(jì)60年代［33］。相較于金屬材料，聚合物材料在切削過(guò)程中具有更明顯的流變效應(yīng)，使得其材料去除機(jī)理較為復(fù)雜。學(xué)者們對(duì)此開(kāi)展了一系列研究，并將正交切削法、側(cè)面方格變形觀察法、高頻攝像法、快速落刀法等研究金屬切削變形和去除機(jī)理的實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用于聚合物去除機(jī)理的研究過(guò)程。通過(guò)高速攝影觀察工件側(cè)方預(yù)制方格的變形情況可以發(fā)現(xiàn)［34］：PTFE材料切削過(guò)程中，切屑平滑而連續(xù)地產(chǎn)生，工件材料在刀具的作用下受到垂直于切削方向的拉伸應(yīng)變和沿著切削方向的壓縮應(yīng)變。在該過(guò)程中，生成的切屑厚度幾乎等于切削深度。這是由于PTFE具有較高的橡膠類彈性，斷裂伸長(zhǎng)率大，在切削過(guò)程中被去除的材料層會(huì)在高彈性變形的作用下與工件表面發(fā)生“劈裂”現(xiàn)象從而分離。

材料的切削過(guò)程是一個(gè)大應(yīng)變/應(yīng)變率、非線性的過(guò)程，該過(guò)程涉及彈塑性力學(xué)、摩擦學(xué)、傳熱學(xué)等多學(xué)科交叉，僅用實(shí)驗(yàn)法和傳統(tǒng)解析法對(duì)切削過(guò)程開(kāi)展分析研究具有一定難度，且實(shí)驗(yàn)裝備誤差、實(shí)驗(yàn)人員操作熟練程度以及其他外界因素都不可避免地影響著實(shí)驗(yàn)精確性。為更準(zhǔn)確、高效、直觀地研究聚合物材料的切削去除機(jī)理，有限元仿真技術(shù)逐漸成為研究者的關(guān)注焦點(diǎn)之一。

有限元切削仿真過(guò)程中，材料的本構(gòu)模型至關(guān)重要，它必須能夠?qū)⒉牧显谇邢鬟^(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)準(zhǔn)確傳送至仿真軟件，以提高仿真結(jié)果精度。目前，由金屬切削理論發(fā)展而來(lái)的Johnson-Cook本構(gòu)模型在多數(shù)聚合物材料切削仿真研究中得以應(yīng)用［35-36］。YANG等［37］針對(duì)聚合物材料高密度聚乙烯（highdensitypolyethylene，HDPE）在不同切削深度下的材料去除行為開(kāi)展研究，從力學(xué)性能試驗(yàn)獲得的材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線出發(fā)，結(jié)合材料的剪切損傷破壞準(zhǔn)則和屈服破壞準(zhǔn)則，使用Johnson-Cook本構(gòu)模型開(kāi)發(fā)了一種顯式有限元模型，通過(guò)該模型研究了HDPE正交切削過(guò)程中不同切深和刀具角度下材料的成屑機(jī)制，結(jié)果表明材料去除層剪切帶內(nèi)的應(yīng)力大于“刀屑”接觸界面處的應(yīng)力，且切屑卷曲直徑隨著摩擦因數(shù)和切削深度的增加而增加。為更準(zhǔn)確表達(dá)聚合物材料自身彈性和黏塑性對(duì)仿真結(jié)果的影響，F(xiàn)U等［38］采用Mulliken-Boyce本構(gòu)模型對(duì)熱固性聚合物材料的去除機(jī)理開(kāi)展了有限元仿真研究，如圖4所示，結(jié)果表明：當(dāng)未變形切屑厚度為10μm時(shí)，刀具的移動(dòng)使“刀工屑”接觸區(qū)域的拉伸裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而形成連續(xù)切屑，而切屑背面的塑性變形大于切屑正面的塑性變形，導(dǎo)致切屑的彎曲；當(dāng)未變形切屑厚度為20μm和30μm時(shí)，材料去除機(jī)理與上述過(guò)程一致；當(dāng)未變形切屑厚度增加至50μm時(shí)，切削層材料的去除和切屑的形成則是由拉伸裂紋的擴(kuò)展和隨后的突然剪切引起的；當(dāng)未變形芯片的厚度增加到100μm時(shí)，產(chǎn)生了不連續(xù)切屑，這是由于切屑幾乎沒(méi)有發(fā)生塑性變形，聚合物材料的高交聯(lián)性能導(dǎo)致切削層材料很難通過(guò)分子鏈段的運(yùn)動(dòng)來(lái)適應(yīng)芯片變形，從而使拉伸裂紋擴(kuò)展至工件表面之后直接斷裂，切屑直接從工件剝離。

在聚合物材料切削加工理論方面，剪切面理論被廣泛應(yīng)用，如圖5所示。剪切角與切削變形密切相關(guān)，從而成為了研究者的關(guān)注重點(diǎn)。目前常用的剪切角計(jì)算公式有Merchant和LeeandShaffer公式：

在聚合物正交切削過(guò)程中，Merchant剪切面理論可以在避免測(cè)量切屑厚度的前提下有效確定剪切角的大小，且在一定的切削條件下，聚合物切削過(guò)程的剪切角保持恒定（約45°）。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)：聚合物材料切屑與工件的分離是通過(guò)斷裂發(fā)生的，切屑形成過(guò)程是由材料的剪切屈服和塑性彎曲行為決定的［39-41］。在此基礎(chǔ)上，WYETH［42］在Nylon66正交切削過(guò)程中不僅考慮了Merchant和LeeandShaffer剪切面理論的精確性，同時(shí)還考慮了材料的斷裂韌性與分離能對(duì)剪切角大小的影響，并引入Atkins剪切面理論，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)毒咔敖禽^大時(shí)，Merchant理論對(duì)剪切角的預(yù)測(cè)值低于實(shí)驗(yàn)值，而LeeandShaffer理論的預(yù)測(cè)值高于實(shí)驗(yàn)值，Atkins理論的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值更加接近；當(dāng)?shù)毒咔敖禽^小（0°）時(shí)，三種剪切面理論的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值保持了良好的一致性，但是LeeandShaffer理論的預(yù)測(cè)值在切削深度較小時(shí)略低于實(shí)驗(yàn)值。

在PTFE材料正交切削過(guò)程中，觀察到切屑不易從工件表面完全分離，切屑形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的撕裂等塑性變形，從而導(dǎo)致工件表面被“過(guò)度去除”并生成不規(guī)則毛刺，如圖6所示［43］。結(jié)合正交切削實(shí)驗(yàn)和剪切面理論，可總結(jié)出PTFE切削過(guò)程材料去除機(jī)理和切屑毛邊的生成機(jī)理：切削過(guò)程中切屑所受真實(shí)應(yīng)力小于PTFE的壓縮斷裂應(yīng)力，故切屑為連續(xù)狀態(tài)；刀尖區(qū)域的材料在刀具的作用力下向切屑邊緣流動(dòng)，在切屑邊緣形成片層狀結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力集中效應(yīng)下片層狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，隨后在切削力作用下擴(kuò)展，最終形成切屑毛邊［44］。

目前在PTFE等聚合物切削機(jī)理和理論方面，對(duì)PTFE材料的切削本構(gòu)模型和切削仿真研究報(bào)道較少，且無(wú)論仿真研究還是實(shí)驗(yàn)研究，大部分研究集中于正交切削過(guò)程，分析方法和基礎(chǔ)理論大多沿用金屬切削理論。正交切削是一種較為簡(jiǎn)單的切削方式，可以分析解釋單一或少數(shù)參數(shù)

下PTFE材料的去除機(jī)理、材料失效機(jī)理和成屑機(jī)制。現(xiàn)有研究表明PTFE材料的切削機(jī)理因切削深度、刀具角度而異。PTFE材料自身屬性如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg、是否采用填料改性等同樣是影響其切削機(jī)理的重要因素。此外，PTFE材料作為非晶態(tài)高分子材料，其制造工藝的細(xì)微區(qū)別會(huì)造成其結(jié)晶度的差異，導(dǎo)致PTFE材料的力學(xué)性能發(fā)生變化進(jìn)而影響其切削特性。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，PTFE材料的車削、銑削、鉆削等方式相較于正交切削更為復(fù)雜，且切削模式不唯一。因此，將正交切削用于PTFE材料切削機(jī)理的解釋較為理論化且存在一定的局限性，需綜合考慮PTFE材料自身特性、刀具材料和幾何結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)、冷卻方式等因素，結(jié)合正交切削機(jī)理對(duì)不同切削工藝進(jìn)行綜合分析。

3.2PTFE材料的切削工藝

PTFE材料切削過(guò)程切削力一般為金屬材料的1/20～1/10，但由于其彈性模量低、具有高彈性和導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，容易在切削過(guò)程中出現(xiàn)避讓變形和熱變形等問(wèn)題，導(dǎo)致加工質(zhì)量難以保證，因此，選擇合適的切削刀具、加工用量、冷卻技術(shù)和裝夾方式尤為重要。

3.2.1刀具的選擇

選用合適的刀具是保證切削質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。首先，不同材料刀具的硬度、耐磨性甚至表面粗糙度都對(duì)切削加工質(zhì)量有著重要影響。目前常用的PTFE材料切削刀具主要有硬質(zhì)合金、高速鋼、立方氮化硼、陶瓷、金剛石刀具等。由于PTFE材料的硬度較低，故刀具材料的硬度對(duì)其加工質(zhì)量的影響相對(duì)較?。?5］。王方凱［46］對(duì)PTFE薄壁件的車削工藝進(jìn)行了探究，在此過(guò)程中分別使用刀具角度、刀刃鋒利度相同的硬質(zhì)合金和高速鋼刀具，對(duì)于薄壁件，刀具抗振能力是影響加工質(zhì)量的重要因素；該研究發(fā)現(xiàn)，PTFE薄壁件切削過(guò)程中高速鋼刀具在抗振能力、已加工表面粗糙度、螺紋完整性、已加工表面毛刺方面，高速鋼刀具均優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具，因此，為保證PTFE薄壁件的加工質(zhì)量，選用了高速鋼刀具，此外還指出須定期修磨刀具，保證其鋒利度也是提高加工質(zhì)量的重要因素。朱春江［47］使用硬質(zhì)合金刀具和立方氮化硼刀具對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中PTFE零件車削加工表面粗糙度的變化規(guī)律開(kāi)展了研究，由于這些零件之間的配合面有接觸關(guān)系，且要求具備密封功能，故應(yīng)具有較小的表面粗糙度，結(jié)果表明，使用立方氮化硼刀具時(shí)加工表面粗糙度最佳，達(dá)0.2～0.4μm；同時(shí)還指出在后續(xù)的研究中可使用金剛石刀具，因?yàn)槠涞毒弑旧肀砻娲植诙容^?。?.025μm），可以在加工過(guò)程中再次優(yōu)化PTFE材料加工表面的粗糙度。由于PTFE材料導(dǎo)熱性較差，切削過(guò)程切削熱的積累會(huì)造成已加工表面質(zhì)量的下降，故刀具材料的導(dǎo)熱性也對(duì)PTFE材料的加工質(zhì)量有重要影響。針對(duì)該問(wèn)題，穎惠民等［48］使用三種導(dǎo)熱性不同的刀具（硬質(zhì)合金、陶瓷和金剛石刀具）進(jìn)行了PTFE車削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，使用金剛石刀具時(shí)工件表面形貌最好；而使用陶瓷刀具時(shí)，由于陶瓷刀具散熱效果較差，導(dǎo)致工件表面形貌較差，出現(xiàn)了“波浪”狀的涌起，如圖7所示。

刀具必須具有合理的幾何形狀。刀具角度是確定刀具幾何形狀的重要參數(shù)。PTFE材料強(qiáng)度低、切削力較小，故可以選擇較大的前角和后角。但如果刀具前后角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致刀具散熱面積的減小和切削區(qū)域內(nèi)切削熱的堆積，影響工件加工質(zhì)量。此外，為降低PTFE材料高回彈性對(duì)切削質(zhì)量的影響，

刀具還應(yīng)盡量鋒利。如圖8所示，對(duì)于PTFE車削和銑削，刀具角度選擇如下：車削刀具的前角γ和后角α理想取值范圍分別為15°～25°和20°～30°，銑削刀具的前角γ和后角α的理想取值范圍分別為20°～45°和15°～30°；為了提高刀尖強(qiáng)度和散熱性，并減小切削抗力，主偏角的理想取值為κr=90°，副偏角取值范圍為10°～15°；此外，切削過(guò)程中刀具刃傾角的正負(fù)和大小決定了切屑流向，若切屑流向已加工表面，則會(huì)與已加工表面發(fā)生摩擦，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降，因此刃傾角應(yīng)取正值，考慮到PTFE材料切削過(guò)程的穩(wěn)定性和刀具實(shí)際前角，最終選擇刃傾角取值范圍在10°～15°之間；對(duì)于鉆削加工，為避免切屑黏附在鉆頭棱邊和螺旋槽上而造成切削溫度上升，前角應(yīng)增大至35°～45°［49-50］。

綜上，刀具的材料和幾何參數(shù)均對(duì)PTFE材料的加工表面質(zhì)量有重要影響。受到PTFE材料自身高彈性、導(dǎo)熱性差等特性的影響，需使用較為鋒利（刀尖圓弧半徑小、具有大前角和后角）且導(dǎo)熱性較好的刀具對(duì)其進(jìn)行切削加工。立方氮化硼和金剛石刀具均展現(xiàn)出良好的加工性能。目前，對(duì)PTFE材料切削刀具選擇的研究大都集中于小批量生產(chǎn)的零部件以及單一工步切削實(shí)驗(yàn)研究方面，由于PTFE材料比刀具材料的剛度、強(qiáng)度更低，故在短時(shí)間內(nèi)的切削加工過(guò)程中刀具幾乎不出現(xiàn)磨損。PTFE材料切削過(guò)程刀具磨損對(duì)材料切削加工特性及已加工表面質(zhì)量的影響還未引起廣泛關(guān)注。此外，隨著切削刀具技術(shù)的發(fā)展，具有表面微結(jié)構(gòu)的刀具、涂層刀具已廣泛應(yīng)用于金屬/非金屬材料的切削加工過(guò)程，但是在PTFE材料切削加工過(guò)程中的應(yīng)用還鮮見(jiàn)報(bào)道，因此，對(duì)選擇適當(dāng)?shù)牡毒咭詫?shí)現(xiàn)PTFE材料的高質(zhì)量加工仍需深入研究。

3.2.2切削用量和冷卻技術(shù)

嚴(yán)格準(zhǔn)確的工藝流程、適當(dāng)?shù)那邢饔昧亢屠鋮s技術(shù)是保證PTFE材料高質(zhì)量切削的必要條件［51］。早在20世紀(jì)90年代，朱華峰［52］就對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品中的PTFE高頻絕緣零件切削加工技術(shù)開(kāi)展了研究，并對(duì)PTFE高頻絕緣零件的車削、銑削、鉆削和攻絲用量進(jìn)行了討論。通常，可以將PTFE加工表面出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象作為限制切削速度的參考；此外，當(dāng)進(jìn)刀完成后停留一定時(shí)間，如圖9所示，可以使因工件剛性差、彈性高所引起的“避刀”變形在彈性恢復(fù)過(guò)程中切除，從而提高PTFE材料的加工精度和表面質(zhì)量［48，53］。CUI等［54］在固定主軸轉(zhuǎn)速（800r/min）的工況下開(kāi)展了不同切深（0.2～1.0mm）和不同進(jìn)給量（0.1～0.5mm/r）下的PTFE車削試驗(yàn)（PTFE工件尺寸為30mm×80mm），他們觀察到所有工況下均生成了連續(xù)切屑，且在特定工況下由于切屑剛度較低，十分容易纏繞在工件表面且不易分離，如圖10所示，從而導(dǎo)致切削力增大和摩擦熱增加;為避免這些加工不利因素的出現(xiàn)，最終確定較為恰當(dāng)?shù)拇周囅魃鲜龀叽鏟TFE工件的切削用量如下：主軸轉(zhuǎn)速800r/min，切深0.8mm，進(jìn)給量0.5mm/r。

NI等［55］通過(guò)設(shè)計(jì)田口實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究了PTFE材料車削性能和切削用量之間的關(guān)聯(lián)性，并通過(guò)綜合考慮PTFE材料過(guò)程中切削力做功、材料去除率和已加工表面粗糙度三個(gè)因素，提出了一種PTFE材料車削性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)（machinabilityindex，MI），MI值越大，表明相對(duì)應(yīng)的切削用量越適用于切削加工。MI值計(jì)算方法如下：

NI等［56］還研究了PTFE鉆削過(guò)程中切削用量（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量）對(duì)加工質(zhì)量的影響，建立并優(yōu)化了鉆削力和扭矩的預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，該模型對(duì)PTFE材料鉆削力和扭矩的預(yù)測(cè)值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均誤差僅為5%和9%，能夠很好地指導(dǎo)PTFE材料的鉆削加工和切削用量選擇。以上PTFE材料切削用量的確定，需要大量的切削實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)積累。為了減少成本并提高效率，正交試驗(yàn)法、多目標(biāo)優(yōu)化算法、響應(yīng)曲面法和方差分析等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法已被應(yīng)用于PTFE材料切削用量選擇和優(yōu)化［57-60］。

將冷卻技術(shù)應(yīng)用于PTFE材料切削過(guò)程能夠改善和抑制因材料導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)高而引起的表面質(zhì)量差和工件變形等問(wèn)題。切削液能夠起到很好的潤(rùn)滑和冷卻作用，進(jìn)而改善上述問(wèn)題。然而，切削液中的化學(xué)成分有可能會(huì)造成PTFE材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)退化，進(jìn)而影響其使役性能，因此需要及時(shí)對(duì)殘留在工件表面的切削液進(jìn)行清洗；此外，由于切削液具有潤(rùn)滑作用，聚集在切削加工區(qū)域的冷卻液會(huì)令PTFE工件表面濕滑，使切削難以進(jìn)行［51，61-63］。綜上，氣體冷卻技術(shù)更適用于PTFE材料的切削加工［49］。GAN等［64］在不同銑削參數(shù)條件下對(duì)比了干式切削、液體冷卻和低溫液氮冷卻工況下PTFE材料的銑削性能，發(fā)現(xiàn)在干式切削工況下切削熱難以散發(fā)，使用切削液后的冷卻效果也不能達(dá)到預(yù)期，使得切削區(qū)域溫度會(huì)上升至PTFE材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg以上；因此，切削區(qū)域內(nèi)的PTFE材料會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，PTFE分子鏈通過(guò)移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)來(lái)適應(yīng)切削力的作用，從而出現(xiàn)黏性流動(dòng)現(xiàn)象，在該現(xiàn)象的作用下，已加工表面的微觀變形是不可逆的，最終生成毛刺等加工缺陷；而低溫液氮冷卻技術(shù)效果最優(yōu)，抑制了玻璃化轉(zhuǎn)變引起的黏性流動(dòng)，能夠有效改善已加工表面質(zhì)量和亞表面層的損傷，如圖11所示。王一超［65］對(duì)PTFE材料車削加工技術(shù)展開(kāi)了較為全面的研究，將低溫液氮冷卻技術(shù)應(yīng)用于切削加工過(guò)程，并在優(yōu)選刀具材料和角度的基礎(chǔ)上運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

實(shí)現(xiàn)了對(duì)切削參數(shù)的優(yōu)選，最終有效提高了PTFE材料的加工質(zhì)量，為實(shí)際加工提供了可靠參考。

根據(jù)上述研究，傳統(tǒng)的切削加工工藝在加工PTFE這類導(dǎo)熱性差、剛度低、韌性強(qiáng)的材料時(shí)，表現(xiàn)出的可適應(yīng)性較差，這對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)置提出了較高的要求，若設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起已加工表面、亞表面的損傷。為此可通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方案（如田口實(shí)驗(yàn)、正交試驗(yàn)等）獲取PTFE材料切削加工的工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合各類數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法優(yōu)化切削用量。還可以通過(guò)使用冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)提高加工質(zhì)量，但是PTFE材料具有自潤(rùn)滑性，表面摩擦因數(shù)較小，液體潤(rùn)滑冷卻介質(zhì)可能不適用于其切削加工過(guò)程。此外，特殊功能的PTFE零部件有著高表面潔凈度的要求，液體冷卻介質(zhì)中的有機(jī)物會(huì)吸附在工件表面而造成污染。氣體冷卻成為可行的方案之一，但是相關(guān)研究報(bào)道較少。因此，對(duì)PTFE材料切削加工過(guò)程的切削用量和冷卻技術(shù)研究仍是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。

3.2.3工件裝夾技術(shù)

設(shè)計(jì)使用合理的夾具和裝夾方式是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切削和獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的重要保障。PTFE剛性差、線膨脹系數(shù)高，在裝夾過(guò)程中容易在夾緊力和環(huán)境溫度的影響下發(fā)生變形，對(duì)零件最終的尺寸精度造成很大影響。通常，PTFE工件在切削加工過(guò)程中采用“軟爪”夾持，即45鋼，賽鋼（聚甲醛，Polyformaldehyde，POM）等未熱處理或調(diào)質(zhì)的金屬材料和非金屬等材料制成的夾爪，但仍無(wú)法完全避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)。為此，研究人員提出了以下改進(jìn)措施。

首先，為盡量避免環(huán)境溫度對(duì)PTFE工件尺寸的影響，應(yīng)保證其裝夾、切削、裝配過(guò)程在恒溫車間（20±2℃）內(nèi)進(jìn)行［66-67］。其次，在車削過(guò)程中，使用機(jī)床夾爪直接夾持PTFE工件不僅會(huì)導(dǎo)致工件受力變形，機(jī)床主軸的熱量也會(huì)傳遞至工件造成工件變形，因此，可以使用過(guò)盈芯軸裝夾PTFE工件，使夾緊力均勻分布在工件表面，避免機(jī)床夾爪與工件直接接觸，減少夾緊力和機(jī)床系統(tǒng)溫度對(duì)工件加工精度的影響［66，68］，如圖12a所示。然而，對(duì)于尺寸較小的零件，使用過(guò)盈芯軸裝夾可能會(huì)出現(xiàn)“工件芯軸”接觸面摩擦力過(guò)小的問(wèn)題，導(dǎo)致工件在加工過(guò)程中“打轉(zhuǎn)”，無(wú)法正常完成切削，為此，可以考慮使用開(kāi)縫套筒裝夾［69］。但是開(kāi)縫套筒無(wú)法控制夾緊力的大小，可能會(huì)對(duì)加工精度造成影響。高磊等［70］針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了帶有金屬限位塊的新型開(kāi)縫套筒，并成功應(yīng)用于PTFE材料的車削加工過(guò)程，有效提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，如圖12b所示。此外，在銑削過(guò)程中，張寧健等［71］利用磁鐵定位和吸引的原理，針對(duì)PTFE盒體零件的切削加工設(shè)計(jì)出一種非常規(guī)夾具，如圖12c所示，具體使用方法如下：按照規(guī)劃路徑先加工四個(gè)腔體，再銑削去除加強(qiáng)筋。由于腔體加工完成后PTFE盒體底部余量較少，為避免盒體底部在切削力的作用下被拉拽變形，使用4塊強(qiáng)力磁鐵將零件的底部與工作臺(tái)壓平并固定，以完成加工。

由此可見(jiàn)，PTFE材料切削過(guò)程的裝夾技術(shù)是保證零部件加工質(zhì)量的重要一環(huán)。不同于金屬材料的裝夾，由于PTFE材料較軟、線膨脹系數(shù)較大，其裝夾過(guò)程需更多地考慮裝夾力、環(huán)境溫度和裝夾形式等因素對(duì)其裝夾變形和加工質(zhì)量的影響。對(duì)于不同外形結(jié)構(gòu)的PTFE零部件，必須針對(duì)性地設(shè)計(jì)適用于當(dāng)前加工工藝的工裝夾具，以改善零部件的加工質(zhì)量。

4PTFE復(fù)合材料的切削工藝

PTFE材料具有諸多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，但是其自身剛性低、耐磨性差等問(wèn)題在一定程度上限制了PTFE材料的應(yīng)用范圍。為解決這些問(wèn)題，進(jìn)一步擴(kuò)大PTFE材料的應(yīng)用領(lǐng)域，填充改性逐漸成為了重要方法之一。目前，常用的填充材料可以分為4大類：無(wú)機(jī)材料、金屬材料、有機(jī)材料和納米顆粒［72-73］。PTFE填充改性復(fù)合材料的主要制備流程包括預(yù)處理、混料、模壓成形、燒結(jié)、冷卻和后處理等過(guò)程，如圖13所示［74］。其中，預(yù)處理過(guò)程包括熱處理、干燥處理和過(guò)篩等，如在制備青銅粉與碳化硼填充PTFE復(fù)合材料時(shí)［75］，需將青銅粉置于空氣中加熱至38℃，氧化10h，以減少青銅粉在后續(xù)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的熱分解和著火危險(xiǎn)；還需將PTFE和碳化硼粉末在85℃下干燥10h，以避免燒結(jié)時(shí)因水分蒸發(fā)而使試樣產(chǎn)生氣泡，甚至發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。根據(jù)上述工藝流程，選擇填充材料的一般原則如下：能改善PTFE的力學(xué)性能等；燒結(jié)時(shí)填料性能不發(fā)生改變；PTFE不會(huì)與填料材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；填料自身分散性較好等。

填料的加入使PTFE復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其可加工性也更加難以預(yù)測(cè)，為此學(xué)者們對(duì)PTFE復(fù)合材料的切削加工技術(shù)及可加工性開(kāi)展了一系列仿真和實(shí)驗(yàn)研究。李波［76］首先對(duì)比了PTFE和銅顆粒增強(qiáng)PTFE材料（Cu/PTFE）的力學(xué)特性，以探究Cu顆粒對(duì)Cu/PTFE材料力學(xué)性能的影響，在此基礎(chǔ)上使用Johnson-Cook本構(gòu)模型結(jié)合有限元仿真軟件建立了Cu/PTFE復(fù)合材料的微觀多相模型，研究了Cu/PTFE材料的切削機(jī)理和車削工藝參數(shù)對(duì)其切削加工性能的影響，有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：已加工表面會(huì)出現(xiàn)顆粒壓入、顆粒拔出空洞、“刀工”剪切斷裂三種混合形式的材料去除模式；不同進(jìn)給速度下已加工表面粗糙度隨著溫度的上升而增加，溫度的升高會(huì)使PTFE基體軟化，銅顆粒更容易以壓入或拔出的形式出現(xiàn)；為提高已加工表面質(zhì)量，應(yīng)選用更小尺寸的顆粒，并使它們更均勻地分布在PTFE基體中，如圖14所示。FETECAU等［77］和STAN等［78］使用PCD刀具針對(duì)航天工業(yè)中常用的兩種PTFE復(fù)合材料——32%碳和3%石墨增強(qiáng)聚四氟乙烯（PTFECG32-3）、15%再生石墨增強(qiáng)聚四氟乙烯（PTFEGR15）的車削性能展開(kāi)了研究，依據(jù)田口法制定了實(shí)驗(yàn)方案，利用自行研制的切削力測(cè)量系統(tǒng)采集了切削力信號(hào)，通過(guò)對(duì)切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)的信噪比分析和方差分析，研究了切削參數(shù)對(duì)上述兩種材料切削性能的影響規(guī)律，并推導(dǎo)出相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了刀具幾何參數(shù)對(duì)PTFECG32-3和PTFEGR15兩種材料切削性能的影響，結(jié)果表明：在切削速度不變的情況下，切削力隨前角的增大而顯著減??；加工PTFE及PTFE基復(fù)合材料時(shí)，建議采用高切削速度、低進(jìn)給速度和大前角。

ANSARI等［79］運(yùn)用方差分析方法研究了不同切削參數(shù)和刀尖半徑對(duì)青銅和二硫化鉬填充聚四氟乙烯材料切削性能的影響規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)，在PTFE基體中添加青銅金屬填充物會(huì)使切削力顯著增大；表面粗糙度隨進(jìn)給速度、切削深度的增大而增大，隨刀具半徑的增大而減?。蛔罱K通過(guò)信噪比分析和灰色關(guān)聯(lián)分析，完成了對(duì)切削參數(shù)的優(yōu)選。LI等［80-81］針對(duì)陶瓷-PTFE復(fù)合材料高速銑削過(guò)程中的切削參數(shù)選擇和刀具磨損問(wèn)題展開(kāi)了一系列研究，首先通過(guò)陶瓷-PTFE高速銑削試驗(yàn)研究了TiN涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理，得到刀具磨鈍建議值VB=40μm，并提出了陶瓷-PTFE高速銑削過(guò)程刀具壽命預(yù)測(cè)方法；之后根據(jù)刀具壽命變化規(guī)律，提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的切削參數(shù)選擇方法，最終優(yōu)選出的切削參數(shù)如下：切削速度v=116.5mm/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，切削深度ap=1mm，該研究結(jié)果可為陶瓷-PTFE復(fù)合材料的高速加工提供有效的工藝優(yōu)化和質(zhì)量提升途徑。

PTFE疊層復(fù)合材料是另一種常用的PTFE復(fù)合材料。該材料通過(guò)高溫壓合等一系列過(guò)程將PTFE與金屬、碳纖維增強(qiáng)材料等膠合在一起，之后對(duì)其進(jìn)行二次機(jī)械加工達(dá)到使用要求，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信等領(lǐng)域。但是，各層材料之間的加工性能差異較大，為疊層材料的高質(zhì)量加工帶來(lái)了諸如材料燒傷嚴(yán)重、加工毛刺多等問(wèn)題。顧平［82］對(duì)鋁基PTFE覆銅板切削過(guò)程的機(jī)床和刀具選擇、加工工藝路線設(shè)計(jì)、切削參數(shù)選擇、裝夾方式優(yōu)化等問(wèn)題開(kāi)展了詳細(xì)研究，最終探索出一套適用于此類材料零件的機(jī)加工工藝，有效提高了產(chǎn)品的合格率。王昌贏等［83］利用單因素法設(shè)計(jì)了PTFE/CFRP/鋁合金疊層材料鉆削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用刀具為類金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭，還討論了切削參數(shù)對(duì)鉆削力、鉆削溫度、切屑形態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)果表明：從PTFE側(cè)鉆入時(shí)，由于PTFE材料導(dǎo)熱性差、切屑成粉末狀，會(huì)影響CFRP的鉆削性能；而從鋁合金側(cè)鉆入時(shí)鋁合金導(dǎo)熱性較好，且切屑為帶狀或節(jié)狀，有利于切削熱的擴(kuò)散，從而為CFRP材料的鉆削營(yíng)造了良好的溫度條件。

目前，PTFE復(fù)合材料因集合了PTFE材料和其他材料的優(yōu)勢(shì)而得以廣泛應(yīng)用，從而被賦予了更高的期望。常見(jiàn)的PTFE復(fù)合材料有粉末顆粒增強(qiáng)PTFE材料、PTFE和其他金屬非金屬材料制備而成的疊層材料等。從材料角度出發(fā)，PTFE復(fù)合材料受填料性質(zhì)（填料力學(xué)性質(zhì)、填料分布規(guī)律等）和其他疊層材料性質(zhì)的影響，其切削機(jī)理與PTFE材料有較大區(qū)別，需考慮填料及疊層材料的去除機(jī)理、損傷機(jī)理和切削性能等。對(duì)此，目前尚無(wú)較為全面和系統(tǒng)的總結(jié)。綜上，PTFE復(fù)合材料的切削工藝將是未來(lái)重要的研究方向。

5PTFE材料切削工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代，PTFE材料切削加工而成的密封件、墊片等產(chǎn)品就因耐輻射、耐腐蝕、高低溫性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而被大量應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)施中［2，84］。隨著人們對(duì)這一材料更深入的了解和切削加工技術(shù)的進(jìn)步，PTFE材料切削工藝和相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)一步在許多重要領(lǐng)域得以應(yīng)用，如電子通信、航空航天、光伏發(fā)電裝備制造等。

在電子通信領(lǐng)域，近年來(lái)5G技術(shù)的商業(yè)化對(duì)相關(guān)電子元器件的高頻、高速傳輸信號(hào)功能提出了新的要求。PTFE高頻覆銅板具有較低的介電損耗（介電常數(shù)DK=2.0（1MHz）），且物理化學(xué)性能優(yōu)異，因此成為了主流應(yīng)用材料［85］。高頻覆銅板的層間電氣互連是通過(guò)金屬化孔實(shí)現(xiàn)的，金屬化孔的可靠性直接關(guān)系到高頻覆銅板的使用性能。鉆孔工藝是PTFE高頻覆銅板金屬化孔的難點(diǎn)之一，目前常用的覆銅板孔加工工藝有切削加工工藝（機(jī)械鉆孔）和特種加工工藝（激光鉆孔）等［86-87］。

在航空航天領(lǐng)域，PTFE材料主要用來(lái)制作航天產(chǎn)品連接部分的密封件，以適應(yīng)極端溫度（高溫、低溫）環(huán)境。另外，PTFE材料密度是常規(guī)密封材料的1/3～1/2，如果在航空器上大范圍使用可以獲得較好的減重效果。雖然此類密封件一般采用模壓成形，但是航天產(chǎn)品的研制具有技術(shù)狀態(tài)更新快、產(chǎn)品數(shù)量批量小等特點(diǎn)，而模壓成形生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、成本高，所以很難滿足產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)需求。因此，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的PTFE密封件往往采用加工周期短、成本較低的切削工藝來(lái)生產(chǎn)［2，4，53］。

在光伏發(fā)電裝備制造、生物醫(yī)療材料制備等領(lǐng)域，流體控制系統(tǒng)（流控系統(tǒng)）是生產(chǎn)制造過(guò)程中的重要組成部分。流控系統(tǒng)主要執(zhí)行介質(zhì)供應(yīng)、介質(zhì)混合、介質(zhì)循環(huán)和介質(zhì)回收等任務(wù)，其中包含上百種化學(xué)試劑與氣體參與物理化學(xué)反應(yīng)。因此，流體控制元件（流控元件）如風(fēng)囊泵、隔膜閥等已成為流控系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，如圖15所示［88-92］。其中，高純度的PTFE材料憑借其優(yōu)異的耐酸耐堿性和化學(xué)惰性被廣

泛應(yīng)用于上述流控元件的關(guān)鍵零部件制造方面［93-94］。以PTFE風(fēng)囊、PTFE彈簧、PTFE隔膜為例，這些關(guān)鍵零部件對(duì)加工尺寸精度具有極高的要求，PTFE隔膜厚度僅為200～300μm，但是PTFE材料無(wú)法通過(guò)注塑成形，對(duì)上述結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件也難以直接通過(guò)模壓燒結(jié)工藝成形，因此，切削加工工藝成為首選。對(duì)于應(yīng)用于特殊環(huán)節(jié)的流控元件，還應(yīng)保證元件的潔凈度，避免固體顆粒、金屬離子、細(xì)菌等污染物對(duì)介質(zhì)的污染［95-96］。這意味著在切削加工過(guò)程中，不僅要考慮加工精度和質(zhì)量，還要兼顧加工環(huán)境、加工工藝等因素對(duì)PTFE零件已加工表面潔凈度的影響。這些都對(duì)相關(guān)PTFE零件的切削工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

6總結(jié)與展望

本文針對(duì)PTFE材料的切削工藝，從材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能、物理化學(xué)性能出發(fā)，首先總結(jié)了其切削加工性；之后結(jié)合聚合物切削理論及其研究方法分析了PTFE材料的切削去除機(jī)理；最后對(duì)PTFE材料及其復(fù)合材料的車、銑、鉆等切削加工工藝和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)與歸納。目前，PTFE材料切削加工技術(shù)領(lǐng)域已取得顯著成果，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量呈上升趨勢(shì)，但依舊存在諸多問(wèn)題。根據(jù)前文綜述與PTFE材料切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，得出的主要結(jié)論如下：

（1）在PTFE材料切削理論方面，大多數(shù)研究仍然延用金屬切削理論，而在有限元切削仿真技術(shù)方面尚未系統(tǒng)地建立適用于PTFE材料的切削本構(gòu)模型。依據(jù)金屬切削理論模型能夠在一定程度上對(duì)聚合物材料的切削結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是其表達(dá)精確度還有進(jìn)一步提升的空間。有限元仿真切削技術(shù)已逐漸成為聚合物材料切削加工領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。材料本構(gòu)模型是有限元仿真的重要一環(huán)，模型參數(shù)主要通過(guò)不同溫度、不同應(yīng)變率下的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得。目前，研究者已針對(duì)PTFE材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的準(zhǔn)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，但是將相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于建立PTFE材料的切削本構(gòu)模型和有限元仿真切削過(guò)程的研究報(bào)道較少。在今后的研究中，建立適用于PTFE材料的切削本構(gòu)模型，開(kāi)發(fā)PTFE材料有限元仿真切削技術(shù)，是開(kāi)展PTFE材料切削加工技術(shù)研究的重要保障。

（2）針對(duì)PTFE材料的切削加工工藝目前已有較為廣泛的研究，但是在PTFE零部件切削加工過(guò)程精度傳遞規(guī)律與加工質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性方面缺乏全面和系統(tǒng)的總結(jié)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PTFE材料的車削、銑削、鉆削等多種切削工藝開(kāi)展大量研究后發(fā)現(xiàn)：由于PTFE材料具有剛度低、導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，它在切削加工過(guò)程中表現(xiàn)出較差的可適應(yīng)性，切削加工精度難以保證。但是由于大多數(shù)研究主要聚焦于單一、特定PTFE零部件的加工工藝，研究樣本相對(duì)較少，無(wú)法精確把握PTFE切削加工過(guò)程中的精度傳遞規(guī)律，故結(jié)合多學(xué)科交叉融合發(fā)展理念，使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法、人工智能算法等對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和優(yōu)化，進(jìn)而揭示各類PTFE材料零部件切削加工過(guò)程精度傳遞規(guī)律，提高PTFE材料加工精度，是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。

（3）PTFE零部件在各個(gè)重大戰(zhàn)略領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用還對(duì)PTFE零部件的潔凈度提出了新的要求，由此引出了PTFE零部件超潔凈切削加工這一關(guān)鍵工藝。該技術(shù)涉及機(jī)械制造、高分子物理化學(xué)、表界面科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，并且包含切削工藝參數(shù)對(duì)加工表面潔凈度影響規(guī)律，切削加工表面污染物生成、轉(zhuǎn)移、去除機(jī)理，加工表面超潔凈狀態(tài)維持性能演化規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這些都對(duì)PTFE材料的切削加工工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，PTFE材料已逐漸成為電子通信、航空航天、光伏發(fā)電和生物醫(yī)療等領(lǐng)域重要乃至關(guān)鍵零部件的主要生產(chǎn)材料。相較于模壓等加工方式，切削加工因其生產(chǎn)周期短、加工精度高、能適應(yīng)復(fù)雜加工形狀的優(yōu)勢(shì)而逐漸成為復(fù)雜PTFE材料零部件的主要生產(chǎn)方式。面向國(guó)家重大發(fā)展方向的關(guān)鍵技術(shù)需求，在長(zhǎng)期從事切削加工工藝研究的基礎(chǔ)上，本文提出對(duì)建立適用于PTFE材料的切削本構(gòu)模型、探究PTFE關(guān)鍵零部件切削加工過(guò)程精度傳遞規(guī)律、探索PTFE關(guān)鍵零部件超潔凈切削加工工藝三方面的研究展望，旨在通過(guò)系統(tǒng)地開(kāi)展PTFE切削加工基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究，揭示PTFE材料的切削機(jī)理，獲得更精確的PTFE材料切削加工性能，進(jìn)而提出滿足PTFE關(guān)鍵零部件高性能制造的先進(jìn)切削加工工藝。此外，研究過(guò)程中形成的研究方法和總結(jié)出的研究經(jīng)驗(yàn)還可延伸至更多切削工藝研究領(lǐng)域，為我國(guó)突破“卡脖子”加工技術(shù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，并為制造工程的發(fā)展提供新的思路。

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