聚四氟乙烯材料端面余弦曲線槽的車削

■ 中國電子科技集團有限公司第三十八研究所 （安徽合肥 230088） 高 磊 王建中

聚四氟乙烯材料有良好的電氣絕緣性能和耐化學品性能，被廣泛應用于電子工業(yè)領(lǐng)域。但由于其強度低、剛性差、冷流性大及不能注塑成形等特征，因此多采用車削、銑削等機械加工制作聚四氟乙烯零件。圖1所示零件是我所某產(chǎn)品部件的關(guān)鍵零件，材料為聚四氟乙烯棒SFBN，尺寸精度和表面質(zhì)量要求均較高，尤其兩端面槽為特殊的余弦曲線形狀，共2個周期，曲線公式y(tǒng)＝0.5cos（0.885πx），其形狀加工難度較大，尺寸精度難以保證。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

1. 零件加工方法

該零件加工的關(guān)鍵點是裝夾引起的變形和余弦曲線端面槽加工成形兩大難題。

（1）裝夾引起的零件變形問題 當零件一端加工好后，掉頭加工另一面時，采用軟自定心卡盤裝夾，當零件完成加工后，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)零件的內(nèi)圓為三棱形，無法滿足零件的精度要求。采用鋁材料再按原方案加工，零件內(nèi)圓完好，因此判定為裝夾引起零件變形。進一步分析原因，由于聚四氟乙烯材料的剛性差，即使已加工的軟自定心卡盤的孔徑與零件外圓一致，夾緊力很小，仍然引起零件發(fā)生微量變形，導致零件內(nèi)孔直徑超差。

（2）余弦曲線端面槽的成形 數(shù)控車床加工時采用尖刀，通過編制宏程序加工余弦曲線槽。但在實際加工中，遇到加工出的余弦曲線不完整的情況，原因是該零件余弦曲線槽面開口尺寸較小，當加工到余弦曲線槽底部時，刀具與余弦曲線槽側(cè)面發(fā)生干涉，破壞了曲線的完整性，雖然將刀具的尖角減至最小，但是仍無法避免干涉，導致使用數(shù)控車床無法加工該余弦曲線。

2. 解決措施

（1）解決裝夾引起的零件變形 由于軟自定心卡盤裝夾方式會引起零件變形，因此采用過盈心軸的裝夾方式進行試驗，這也是加工聚四氟乙烯材料常用的裝夾方式。過盈心軸裝夾是利用零件內(nèi)孔與心軸通過過盈配合產(chǎn)生的摩擦力來抗拒零件的切削力，從而實現(xiàn)車削。這樣的裝夾方式，由于夾緊力均勻分布在零件的內(nèi)孔，因此不易引起零件發(fā)生變形。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，雖然可以勉強加工，但是由于零件的端面槽為連續(xù)圓弧，切削阻力大，而內(nèi)孔與心軸的接觸面太小，摩擦力也小，極易引起零件在心軸上“打轉(zhuǎn)”，切削過程極不穩(wěn)定，造成廢品率較高，因此過盈心軸裝夾方式不適用。

（2）開縫套筒裝夾方式的改進 綜合考慮以上因素，決定采用開縫套筒裝夾外圓的方式。由于該裝夾方式接近全包圍零件外圓，夾緊力均勻分布在零件外圓上，因此不易造成零件變形。

常用的開縫套筒裝夾方式如圖2所示，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，零件加工完成后出現(xiàn)零件外圓變小，厚度增大的現(xiàn)象。這是由于聚四氟乙烯材料彈性模量低，在夾緊力作用下材料發(fā)生冷流，無法恢復造成的。同時也說明常用的開縫套筒裝夾無法控制夾緊力的大小，且容易過大。

圖2 開縫套筒裝夾

為了控制夾緊力，對原有的開縫套筒裝夾方式進行了改進。制作新型開縫套筒，控制開縫套筒內(nèi)徑與零件外徑過盈量在0.03～0.05mm， 將開縫套筒的長度改為10mm，配車臺階軟自定心卡盤夾持，保證軸向定位精度，且開縫套筒可以重復使用。在開縫套筒內(nèi)孔增加金屬限位塊（見圖3），限制最大夾緊力。改進后進行驗證加工，經(jīng)檢測，零件沒有再發(fā)生裝夾變形，證明改進后的裝夾方式有效，避免了零件變形和聚四氟乙烯材料冷流現(xiàn)象。

圖3 新型開縫套筒裝夾

（3）余弦曲線端面槽的成形加工 由于余弦曲線無法用尖刀加工，因此選用成形刀具。

1）刀具材料的選擇及要求。聚四氟乙烯屬于易切削材料，因此刀具材料選用高速鋼即可滿足切削需求。刀具切削部分的表面粗糙度是影響零件表面粗糙度的重要參數(shù)，至少要比零件的表面粗糙度提高一個等級，才能保證零件的表面粗糙度。由于零件的表面粗糙度值Ra要求為1.6μm，所以刀具的表面粗糙度值Ra≤0.8μm。成形刀具為2個余弦周期，且尺寸小，因此刀具后角不能干涉切削，使余弦曲線不完整。

2）成形刀具的設(shè)計與制作。綜合以上要求，成形刀具的設(shè)計如圖4所示，主后角設(shè)計為20o，為了刀具安裝時能夠定位準確，設(shè)計了A、B2個對刀測量面，并平行于余弦曲線的中心線，刀具所有成形面表面粗糙度值Ra≤0.8μm。

由于數(shù)控慢走絲線切割機床加工的表面粗糙度值R a≤0.4μm，所以成形刀具采用數(shù)控慢走絲線切割機床加工，余弦函數(shù)方程y=0.5cos（0.885πx）采用Mastercam軟件轉(zhuǎn)化成圖形，再把圖形轉(zhuǎn)換成實際坐標切割成形刀具，使用設(shè)備的上、下異形切割功能，切割刀具曲線輪廓的同時，保證刀具后角。由于成形刀具刃磨前角會破壞原有余弦曲線的輪廓精度，所以刀具采用0°前角。

圖4 成形刀具

3）成形刀具的安裝和使用。為了保證余弦曲線加工精確，成形刀具在安裝時，前刀面必須與車床旋轉(zhuǎn)中心高度一致，對刀測量面A和B與車床的軸線平行。具體的安裝方法如圖5所示，在機床導軌上架設(shè)一套磁性表架，將B面直線度校正在0.02mm以內(nèi)，即可保證刀具軸向位置；然后進行徑向?qū)Φ叮ㄒ妶D6），用刀具A面車一段外圓，保證尺寸φ（5±0.01）mm，即φ（5±0.01）+φ（2×1）=φ（7±0.01）（mm），保證刀具的徑向位置。

圖5 刀具安裝

圖6 徑向?qū)Φ?/p>

（4）工藝要求及加工路徑 零件毛坯采用φ20mm的聚四氟乙烯棒，由于聚四氟乙烯材料的熱膨脹系數(shù)大，所以溫度的變化直接影響零件的尺寸精度。因為該零件車削余量較小，車削的時間也很短（以臥式車床主軸轉(zhuǎn)速980r/min，進給量0.025mm/r計算，最長車削時間不超過16s），所以車削時的熱變形量可以忽略不計。但是必須控制車削過程的環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度的變化對尺寸的影響降至最小，因此在恒溫廠房（20±2）℃內(nèi)完成加工。具體的加工路徑是：①自定心卡盤裝夾棒料，鉆孔φD+0.02+0至尺寸。車端面，車外圓φ（18±0.02）mm，取中間公差，即±0.01mm。②切斷，對長度L取中間公差，即（L±0.01）mm。③用手術(shù)刀片去除孔口毛刺。④采用新型開縫套筒裝夾，車左端面槽，掉頭裝夾，再車右端面槽（見圖7）。

圖7 車右端面槽

3. 實施效果

為了更精確地測量余弦曲線槽的尺寸輪廓精度，將零件對中剖開后，用萬能工具顯微鏡測量其坐標值（見圖8），記錄各坐標值（見表1），再經(jīng)過計算，證明余弦曲線達到設(shè)計要求。

圖8 零件檢測

表1 余弦曲線槽實測坐標值

4. 結(jié)語

通過裝夾方式和成形刀具的改進與創(chuàng)新，順利實現(xiàn)了端面余弦曲線槽的加工，零件加工質(zhì)量得到保證。特別是改進裝夾方式后，零件的夾緊力恒定可控，杜絕了冷流現(xiàn)象。刀具A、B面的設(shè)計，簡化了對刀過程，同時還提高了刀具位置精度。