薄壁復材零件的啄插式加工

李志鵬，李小龍，趙寶愛

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

引言

環氧玻璃布層壓棒作為非金屬復合材料的一種，已經被廣泛應用于航空航天業，由于材料導熱系數小，塑性脆，導電性極差等特性給加工帶來諸多不便，結合天津航天機電設備研究所現有設備資源，針對該材料薄壁零件的加工工藝，提出幾點改進，供大家參考。

1 環氧玻璃布層壓棒技術要求

1.1 環氧玻璃布層壓棒外觀

環氧玻璃布層壓棒是由電工用無堿玻璃布浸以環氧樹脂，經成型模具熱壓而成的截面呈圓形的棒，具有較高的機械和介電性能，適用在電機、電器設備中，用作絕緣結構零部件，并可以在潮濕環境下和變壓器油中使用。表面應光滑、無氣泡、油污及雜質，允許有不妨礙使用的顏色不均，擦傷、輕微高低不平等。直徑超過25 mm的層壓玻璃棒允許端面或斷面有不妨礙使用的裂紋。

1.2 環氧玻璃布層壓棒主要性能指標（見表1）

表1 環氧玻璃布層壓棒主要性能指標

2 加工難點分析

1）其零件橫截面壁厚分別為0.8 mm 和0.5 mm，長度方向為34 mm，零件長度和壁厚比例為1∶68，屬于典型的薄壁零件，如圖1 所示。材料本身是不良導熱體，導熱系數小，在加工過程中，排屑很困難，剛性差，加工時極易發生開裂，圖2 所示。

圖1 環氧玻璃布棒的零件圖（單位：mm）

圖2 零件開裂圖

2）里面型腔在銑削加工后留有加工圓角，由于為非金屬材料，無法電加工清角。

3）材料塑性較脆，耐磨性好，切削性不好。

采用傳統的插削方式進行清角，其插削過程是上下無間歇切削，易造成變形積累，扎刀現象較普遍，刀具磨損嚴重。

3 開裂原因的分析

零件加工過程中的開裂都是在銑削加工完成在清根的時候發生的，可能造成工件開裂的原因如下：

1）刀具的材料選擇不合理，耐用度差；

2）刀具刃磨的角度不合理，加速刀具磨損，造成切削力增加；

3）切削參數的不合理，吃刀過大，引起振動，發生啃傷；

4）加工方法不合理。在清除機械圓角時，普通的插床加工是上下無間歇式的切削，需要有退刀槽來釋放變形積累產生的加工應力。該零件在實際生產過程中無法加工退刀槽，只能進行啄插式加工。

4 加工思路

4.1 先外后內

由于導熱性小，故機械加工時應采用小的進刀量和高切削速度。該材料吸水后膨脹變形，且在加工中切屑為粉末狀，如加注切削液會將切屑沖入機床內部，研磨導軌，影響機床精度，故加工時不能加注切削液。選用直徑為Φ12 mm的硬質合金涂層刀加工外形12.5 mm×8.2 mm 至零位，保證上下尺寸的一致性，深度方向加工到37 mm。

4.2 增加外部支撐

做一工裝，用慢走絲線切12.54 mm×8.24 mm方槽的工裝，工裝的直線度0.01，使其與之所抱緊束縛的零件單邊配合間隙為0.02 mm，見圖3。將工裝套在已經銑削好的外形上，確保貼合良好，受力可靠。用直徑Φ6 mm的銑刀加工11.5 mm×6.6 mm的槽，加工深度至36 mm。這個工裝有效地防止了零件在插削清根過程中零件受力不均引起的開裂。

圖3 零件緊束工裝

4.3 自制刀具

4.3.1 刀具材料的選擇（見表2）

表2 刀具材料的選用

4.3.2 刀具角度的選擇

插刀外形由線切割加工而成，見圖4、圖5。

圖4 粗插刀（前角15°、后角6°）

圖5 精插刀（前角20°、后角6°）

4.3.3 刀具長度和寬度的選擇

插刀的長度一定要大于零件的長度34 mm，長度越長刀具剛性越差，在滿足切深的條件下，刀具長度越短越好，有效插深選擇了38 mm。因為是易裂零件，在切削過程中，參與切削的面積越大，切削力越大，零件越容易開裂。在滿足切削剛性的條件下，刀具越窄越好。線切了三種寬度的插刀分別是4 mm、3 mm、2 mm 在生產中進行比較選擇切削。4 mm 寬度的插刀，插完后零件有輕微開裂，不予選用；2 mm 寬度的插刀，在插削加工中有振動現象，零件發生啃傷不予選用；3 mm 寬度的插刀，在加工過程中無振動現象發生，切削完成后亦無啃傷，最終選擇了寬度3 mm 有效插深38 mm的插刀，見圖6。

圖6 自制的插刀

4.3.4 刀具的安裝

通過打表找正法（圖7）和基準放大法（圖8）相結合來找正刀具，首先將插刀裝卡到刀柄里，帶上勁但不要卡緊，用M19 功能使主軸定向，線切一裝卡插刀的工裝，套在插刀上用M3的圓頭螺釘固定，使裝卡工裝的線切面與刀具的側面實現面接觸，這樣一來由原來的刀具長度3 mm 找正精度0.08～0.1 mm變成找正長度60 mm 找正精度0.01 mm，有效放大刀徑20 倍，通過放大基準拉表打裝卡工裝兩點找正至0.01 mm。然后拆下刀柄卡緊刀具，找正后的刀具如圖9。

圖7 打表找正法

圖8 基準放大法

圖9 找正后的刀具

4.3.5 啄插式加工法

傳統插削需要加工退刀槽，目的是方便刀具避讓和排屑，環氧玻璃布棒在加工時其切屑為粉末狀，由于該零件不方便加工退刀槽，切削過程中切削溫度較高，并且環氧玻璃布棒是不良導熱體，導熱系數小，在加工過程中，排屑很困難，只能在加工時將深度銑削到36mm，使不能順利排出的切屑有一定的空間存放。所以采用鉆孔加工中的啄鉆加工。一次插深深度選擇為0.5 mm，使得在加工時產生的熱量盡量小，避免由于切削力增加，變形積累產生的加工應力加大，造成零件開裂，見圖10、圖11。選用合理的加工工藝，經實踐證明粗加工單邊流量0.1～0.15 mm再用精插加工到位，加工出產品的表面質量較好。

圖10 啄插加工刀具路徑示意圖

圖11 插刀加工路徑

程序如下：

精加工把粗插留的量去掉，為防止零件開裂，用60×0.5 mm的片銑刀，轉速1 000 r/min 進給100 mm/min 將零件割下，然后增加內部支撐裝卡銑削長度尺寸至34 mm，加工完的零件如圖12。

圖12 加工完成的產品

5 結論

從材料的特性、刀具材料的選擇和角度韌磨、加工工藝的改進等方面開對環氧玻璃布棒加工技術進行研究，利用工藝手段增加制造過程中的零件剛度，減小加工變形，實現弱剛度薄壁零件的生產加工，并通過生產加工進行驗證，取得較好的加工效果，產品合格率由原來的≤20%提升到現在的100%。該方法已成功應用于所內此類產品的加工，提高了產品的穩定性和可靠性。