聚砜材料零件加工過程中應當注意的幾個問題

王 璽

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安710068）

0 引言

聚砜是一類在分子主鏈上含有砜基的芳香族非結晶高性能的熱塑性工程塑料，是略帶琥珀色非晶型透明或半透明聚合物。它具有突出的熱穩定性(在-100°C～+150°C 范圍內能保持良好的性能)、優良的力學性能(拉伸強度為70～75，彎曲模量2680)、突出的長期耐蠕變性、優異的介電性能(在水中或190°C下仍能保持很高的介電性能)。另外，它還具有耐水解，尺寸穩定性好，成型收縮率小，無毒，耐輻射，耐燃等特點。

聚砜材料因其優異的性能，從而應用十分廣泛，主要應用在電子、電氣方面，用于制作接觸器、變壓器絕緣件、可控硅帽、絕緣套管、線圈骨架、接線柱、印刷電路板、軸套等各種電氣零件范圍。

1 聚砜材料零件加工時存在主要問題

聚砜材料零件的成型加工方法主要有壓制成型和機械加工成型兩種，前者是在注塑機上利用模具將粉末狀聚砜材料壓成型，適合于外形尺寸不大、結構相對簡單、有生產規模的零部件，缺點是需要加工專用模具，生產周期長；后者是采用類似于金屬材料切削加工方法進行，如:車、銑、鉆等對聚砜材料進行切削加工，加工完成后再放置到烘箱中進行去應力處理，適用于單件小批量零部件的加工，優點是加工方式靈活、生產周期短、適用各種復雜零件的加工，是主要采用的加工手段。

一般來講，聚砜材料可以采用車、銑、鉆、鉗等常規金屬材料方法進行加工，但是聚砜材料零部件在機械加工過程中，可能會因為裝夾方式、刀具、加工參數及冷卻液等因素的影響，造成聚砜材料零部件裂紋的產生。同時，聚砜材料的零部件在機械加工完成后一般要進行清洗、噴漆等表面處理，但由于此種材料對部分化學溶劑比較敏感，溶劑或油漆選擇不當也會造成聚砜材料零部件表面產生裂紋或者原有的裂紋擴大。

筆者通過長期的實際工作摸索和大量的工藝試驗，為減少聚砜材料生產加工開裂的問題，提高零件加工的合格率，總結出以下幾個方面的經驗和建議。

2 聚砜材料零部件加工過程中應當注意的幾個問題

2.1 機械加工方面

2.1.1 裝夾方式的選擇

不合理的裝夾方式是導致聚砜材料開裂的主要原因，聚砜零件在機械加工過程中由于受到裝夾方式的影響，加工完成后產生殘余應力是無法避免的，因此在裝夾方式的選擇上，應盡量避免和減小加工時應力的產生。因此在工藝設計和操作加工時要充分考慮應力因素，選用適當的裝夾方式，輔助以必要的工裝保障，零件裝夾的部位盡可能選擇強度較好、剛度較強的部位。如圖1所示的零件采用數控銑加工，為了防止應力的影響，零件采用四周壓板裝夾，掏銑的方式完成加工。

2.1.2 加工刀具的選用

聚砜材料屬于熱塑性塑料，而塑料是由多種成分組成的，其強度、組織、硬度不均勻，回彈性強，尺寸精度不易控制，在切削時要求刀具刃口要鋒利、耐磨，否則會因為刀具的快速磨損而失去切削能力，進而導致切入切出處發生開裂和崩邊，因此，加工聚砜材料零件時應使用專門的鋒鋼類刀具,并始終保持刀口鋒利，隨時研磨。

同時由于聚砜材料的彈性模量、硬度在熱塑性塑料中均屬最佳，它剛性大、耐磨、強度高，因此在切削過程中，刀具的后角α、前角γ、刀尖圓弧半徑εγ及懸伸比L/D都可能造成零件產生裂紋，且此幾個因素有可能相互制約。

刀具懸伸比與前角對粗糙度影響較大，這是因為懸伸比越大，則刀具剛度越差，在高速切削中，因振動而更加容易產生裂紋。前角影響刀具的鋒利程度，同時對刀具的散熱效果影響較大。大后角雖然對切削有利，但影響刀具的剛度與散熱效果，兩種作用相互抵消，故對裂紋產生影響有限。刀尖圓弧半徑較大時，在低速切削時，有利于提高表面質量，但高速切削時，因進給量很小，故影響較小。

這就要求我們在實際工作中選擇刀具參數時，不但要考慮刀具參數對裂紋產生的影響，還要考慮刀具參數對刀具磨損及切削力、切削溫度的影響，必要時進行試加工

圖1 實例零件

2.1.3 加工參數的選擇

在機械加工過程中，由于切削速度、進給量的設置決定了零件加工后的應力大小，進而影響聚砜材料零部件加工后裂紋產生的可能。

a)切削速度

由于塑料類材料的硬度和強度相對于金屬類材料鉸低，其切削力小，耐熱性和導熱性也比金屬類材料差，因此不能采用較高的切削速度。而且在車削和鉆削時，切屑呈帶狀，易纏繞在工件或刀具上，需要及時處理，否則會擠壓成硬團，影響加工的順利進行。

b)進給量

進給量的大小，主要受聚砜材料表面質量、加工中振動和工件變形的影響，應根據工件余量、工件剛性和變形來選取。在切入和切出時，為了防止開裂、崩邊，保證加工質量，宜選擇小的切削深度和進給量。

只有合理選擇上述參數，才能使機械加工后的零件殘余應力較小，進而減少聚砜材料機械加工后開裂的幾率。

2.1.4 冷卻液的選擇

機械加工過程中常規使用的冷卻液有肥皂液、切削油等，但這些常規冷卻液會改變聚砜材料的特性，使之出現溶脹。但是聚砜材料的耐熱性、導熱性不及金屬材料，加工過程中也需用冷卻液來降溫。因此，若使用了不恰當的冷卻液或冷卻方式，會造成加工完處理后出現開裂問題，降低零件的合格率。

通過在工藝試驗件（見表1），加工過程中使用不同的冷卻液，總結出以下結論：對于加工時間短、結構簡單的零件可以不使用冷卻液；加工時間長、結構復雜的零件最好使用純凈水進行冷卻。但是需要注意的是：使用純凈水加工零件，完成加工后，應及時清潔加工設備，防止設備其因水的侵蝕而生銹。

表1 冷卻液試驗結果

2.2 去應力處理方面

聚砜材料零部件在機械加工完成后，由于裝夾方式、刀具、加工參數等因素的影響，將不同程度存在著殘余應力，殘余應力的存在將有可能使零件在機械加工后或者在后續的使用過程中出現裂紋，這就要求在零件機械加工完成后進行熱處理去除殘余應力。

聚砜材料類零部件熱處理時，溫度、時間參數的設置和控制至關重要。溫度高了，時間短了，因不同部位，不同受力點的應力大小有差異，應力在短時間內集中快速釋放很容易導致零件開裂；溫度低了，時間長了，則起不到去應力的作用或應力難以完全釋放。因此選擇合理的升降溫速率及保溫溫度與保溫時間非常關鍵與重要。

通過工藝試驗（見表2），得出結論為：烘箱加熱到100℃～120℃，保溫4H（隨爐冷卻）。

表2 去應力處理結果

2.3 表面處理方面

聚砜材料的零部件在機械加工完成后一般要進行清洗、噴漆等表面處理，但由于此種材料對部分化學溶劑比較敏感，溶劑選擇或油漆選擇不當也會造成聚砜材料零部件產生裂紋或者原有的裂紋擴大。

2.3.1 清洗劑的選擇

使用不合理的清洗劑是導致聚砜材料產生誘導性破壞（環境應力開裂ESC），從而發生溶脹開裂的主要因素。雖然聚砜材料化學穩定性好，除濃硝酸、濃硫酸、鹵代烴外，能耐一般酸、堿、鹽等，但加工后、噴漆前進行清洗時常使用的二甲苯、丙酮、汽油、無水乙醇等清洗劑可能會改變其材料特性，使之出現溶脹。

通過對工藝試驗（經過數控車加工的聚砜螺釘）的浸泡處理（二甲苯、丙酮、汽油、無水乙醇），（見表3），得到以下結論：

a)二甲苯對聚砜材料溶脹開裂最嚴重，并且會隨著時間推移，溶脹加?。?/p>

b)丙酮對聚砜材料溶脹開裂很嚴重，但不會隨時間加??；

c)清洗劑最好選用汽油、酒精、水。

表3 清洗劑試驗結果

2.3.2 油漆的選擇

對于需要噴漆的聚砜零件來說，油漆的選擇非常重要。因為漆中所含的成分也可能導致聚砜材料的溶脹開裂，而且這種開裂更隱蔽，更不容易在短時間內發現。

為了驗證漆對聚砜材料的影響，對工藝試驗（經過數控車加工的聚砜螺釘）進行噴漆的漆種進行了選擇（見表4），得到以下結論：

a)聚砜材料對二甲苯比較敏感，噴漆時最好選用不含二甲苯的底漆和面漆，防止溶脹開裂的發生；

b)為了進一步降低噴漆后聚砜材料開裂的風險，建議使用和聚砜材料介電常數相同或相近的油漆（聚砜材料的介電常數為4.1）；

c)噴純鋅黃底漆S06-N-2+白色S04-20由于是底漆和面漆都有，漆膜和聚砜材料結合力從理論上優于噴面漆白色S04-20方案。

表4 噴漆試驗結果

3 結論

開裂是聚砜材料零件加工的主要問題，本文作者通過大量的實際工作摸索和工藝試驗，對聚砜材料生產加工的的各個環節進行了分析、試驗、驗證，總結出了一套加工此類零部件成熟的工藝方法，不但大幅度減少了聚砜材料零件開裂的問題，提高了不合格率，也為今后聚砜材料零件的生產加工提供了參考依據和工作思路。

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