非金屬材料3204環氧玻璃布板車削加工技術研究

張劍利，李貴鋒，王戰備，李鳳俠

(西安航空制動科技有限公司，陜西 興平 713106)

非金屬材料在制造業中得到了廣泛應用，但大多數非金屬材料的強度及加工性能較差。本研究加工的零件材料為非金屬材料3204環氧玻璃布板，材質為玻璃纖維，具有較高機械和介電性能，耐熱性、耐潮性好，適用于機械、電氣及電子等高絕緣結構零部件。該零件材質利用耐高溫性好的特點，主要用于隔熱，防止熱傳導和熱輻射作用于其他零件，對其他零件的性能產生影響。

1 零件分析

圖1 技術要求Fig.1 Technical requirements

2 零件材料分析

零件材料為3240環氧玻璃布板，主要成分SiO2。該材料由電工玻璃布(用無堿、鋁硼硅酸鹽的玻璃纖維制成)浸以環氧樹脂(環氧樹脂具有較好的黏結強度和耐化學性能)經烘干、熱壓而成。材料表面平整光滑，無皺紋和裂紋。機加過程中，材料強度低，抵抗外力變形能力差，在夾緊力和切削抗力的作用下工件容易發生變形，影響工件尺寸精度，造成圓度超差。目前，使用量較多的布板厚度范圍為3～30 mm，對以往加工的布板進行綜合分析，厚度在10 mm以內的較薄布板加工表面光滑清晰(見圖2)，表面粗糙度容易保證，不易產生端面撕裂、鼓包狀況；厚度在10 mm以上的零件，厚度越大，端面撕裂情況越明顯。

圖2 較薄布板Fig.2 Thin cloth board

經目測，熱壓的玻璃纖維電工玻璃布層厚小于0.2 mm。經現場加工驗證，較厚的布板強度越低，抵抗外力變形能力越差，組織較疏松，切削加工難度較大，實際加工效果見圖3。

圖3 較厚布板加工效果Fig.3 Thicker cloth plate processing effect

3 加工中存在的問題及原因分析

3.1 零件精度和表面質量

毛坯規格200×200×δ25，零件結構為環狀。加工過程中，零件變形量較大，尺寸精度和形位精度難以保證，零件端面存在片狀撕裂和局部鼓包，不能滿足圖紙要求。

3.2 切削溫度對刀具的影響

環氧玻璃布板在切削加工中，考慮到切削粉末對冷卻系統的污染，一般不采用冷卻液冷卻。而使用風冷方式會對空氣造成污染，一般也不建議采用。常用的方式是降低切削速度，以降低切削熱的產生。由于材料的熱導性差，刀具散熱困難，一般采用較低速度切削，當切削速度稍高時，會產生大量的切屑熱，刀具和加工工件的接觸區域的溫度迅速升高，刀具產生氧化磨損，進而進入急劇磨損階段，當刀具的前后刀面同時磨損時，則失去了切削能力。

實際生產中，對刀具的冷卻十分必要。低速切削時，加工效率低下，對于單件、小批量可采用低速切削，但對于批量加工則會造成較高的加工成本，降低設備利用率。較大批量加工時，建議采用水溶性切削液，能夠提升加工效率，且對零件加工精度和表面質量具有良好的改善作用。

環氧玻璃布板具有較好的耐潮性和優良的低吸水率，吸水率幾乎為0。浸水24 h后，吸水率僅為0.09%，故冷卻液的使用對零件材料的影響較小，必要時可采用干燥壓縮空氣清理零件表面水分。

選擇冷卻效果較好的水(溶液)切屑液，切削液的濃度范圍控制在3%以下，能有效降低切削區刀具、工件溫度，改善刀具與工件的摩擦，改善切削區溫度，便于排屑，從而提高刀具的使用壽命和加工表面質量。

車削加工中，因材料的自身結構特性，會產生大量的飛沫狀切屑，污染設備和切削液，令冷卻系統產生堵塞，故應使用過濾紙對切削液進行凈化處理，零件加工完后需更換切削液并保養設備。

3.3 原加工工藝流程

5工序粗車圓環→10工序半精鏜孔→15工序車端面→20精車外圓→25工序精鏜孔→30工序檢驗。

15工序車端面，裝夾方式及切削方向見圖4，刀具采用55°菱形刀片，刀尖R0.2。

圖4 進給示意圖Fig.4 Schematic diagram of feed

通過加工驗證，零件內孔、外圓尺寸精度超差，同軸度超差，變形量約為0.2 mm，零件兩側端面呈片狀撕裂，局部有鼓包現象。

3.4 原因分析與加工難點

由于零件材料組織結構疏松，強度低，抵抗外力變形能力差。在夾緊力和切削抗力的作用下，工件發生變形，影響工件尺寸精度，造成圓度超差。工藝流程安排不當，25工序以外圓定位，零件裝夾時，在夾緊力的作用下產生彈性變形。零件拆卸后，零件產生彈性恢復，內孔圓柱度誤差較大。在裝夾方式上，采用外圓定位，跳動量不易控制，影響外圓相對內孔的同軸度。選用刀具不當，刀具的幾何角度不合理，產生的切削分力影響切削力的方向，使得零件端面呈撕裂狀。

零件材料組織疏松，目測布板層厚約為0.2 mm，零件總長尺寸公差為±0.05 mm，需要對0.2 mm的層厚采用機械加工方法進行剝離，每次厚度小于0.2 mm。材料制造過程中，由于是多層壓制而成，隨著層厚的增加，每層平行度存在誤差，會出現單層透面現象，局部會產生環狀、橢圓狀及不規則缺陷，影響零件的表面粗糙度。

4 實施工藝驗證

通過原因分析，改善工藝流程，選用幾何角度合理的刀具，改善切削受力方向，具體措施如下：

4.1 改進措施

零件端面存在片狀撕裂和局部鼓包問題。機械加工中，正確選用刀具角度及角度大小尤為重要。刀具和車刀刃磨技術在機械加工中占有重要地位，而刀具切削性能的好壞主要取決于制造刀具材料、刀具的結構、刀具切削部分的幾何參數，當材料和刀具結構確定后，刀具切削部分的幾何參數對切削性能的影響就十分重要。手工刃磨刀具見圖5，刀具選擇普通焊接刀具，硬質合合金選用耐磨性較好的YG8材質，經反復驗證，刀具的幾何角度主偏角、副偏角為30°～40°，前角20°～30°，前角形式為圓弧型，主后角、副后角20°，刀具過渡刃采用圓弧過渡刃，R約2～3，保證刀具耐磨且鋒利，圓弧過渡刃對零件表面起到修光作用。手工刀具的刃磨中鐾刀格外重要，能夠提高刀具壽命和零件加工質量，對零件表面光潔度的改善至關重要。現代機械加工中，數控刀具的廣泛使用，使得傳統手磨刀具已很少采用，但傳統的手工磨刀靈活方便，刀具輕微磨損后，可采用鐾刀予以修復，恢復刀具原有的幾何形狀和刃口的鋒利程度，故傳統的磨刀技藝應繼續傳承下去。本研究采用手工刃磨刀具，解決零件表面的鼓包和片狀撕裂問題，通過合理選擇刀具的幾何角度，刃磨出異形刀具，改變切削受力方向。

圖5 手工刃磨刀具Fig.5 Manual sharpened knives

4.2 刀具幾何角度的選擇

手工刃磨刀具關鍵角度的選擇思路：前角主要影響切削力的大小，加大前角可減小切削力，從而減小動力消耗，降低切削溫度，減小刀具磨損，降低加工成本。后角的大小不同，將影響后刀面的傾斜程度，直接影響刀具的強度及刃口的鋒利程度，進而影響加工表面質量。在前角一定的情況下，想減小刀具的刃口圓弧半徑，提高刀具的鋒利程度，只能通過增大后角來獲得。當前角、后角增大時，楔角減小，刃口圓弧減小，刀具鋒利程度提高。主偏角是確定主刀刃相對于進給運動方向偏斜程度的角度，主要影響切削層截面的形狀和參數，影響切削分力的變化、刀尖強度、刀具耐用度等。主偏角刃磨的大小是重要的幾何參數，依據切削厚度的計算公式可知，當進給量一定時，切削厚度隨著主偏角的變化而變化，主偏角減小，切削厚度減小。可通過改善主偏角的角度，影響切削層的厚度，改變切削的受力方向，避免片狀撕裂。副偏角是副刀刃相對于背進給方向傾斜程度的角度，副刀刃配合主刀刃完成切除金屬層，形成工件的已加工表面，對工件的表面粗糙度影響較為明顯。副偏角的選擇等于主偏角，便于刀具往復車削，根據進給方向的變化，實現主副偏角之間相互轉化。刀尖的修磨形式選用圓弧刃刀尖結構，利用圓弧刀刃去連接主刀刃和副刀刃。刀尖圓弧上各點的主偏角、副偏角都小于直線刀刃的主偏角、副偏角，使得刀尖角增加，從而改善刀尖的散熱條件，提高刀尖強度，可進一步改善鼓包和撕裂問題。

4.3 零件內孔、外圓尺寸精度，圓度、同軸度0.05 mm的解決措施

A.增加17工序半精車外圓，為后工序修正基準外圓，保證外圓的圓柱度，圓度誤差控制在0.05 mm以內,滿足后續定位要求，減少或消除由于定位基準不良而產生的內孔變形問題。

B.增加19工序精車內孔，本工序加工內容為精鏜孔、平端面，以外圓為基準，精鏜內孔至尺寸，保證總長尺寸，精加工斷面的進刀方向(見圖6)。

圖6 精加工進刀方向Fig.6 Finishing feed direction

C.20工序精車外圓，以內孔定位，實配心軸，心軸可采用漲力心軸，以保證定位精度。精車外圓至尺寸，利用加工方法保證25工序的同軸度0.05 mm的技術要求。

4.2 優化后加工工藝流程及改善后的加工效果

5工序粗車圓環→10工序粗鏜孔→15工序車端面→增17工序半精車外圓→增19工序精車內孔→20精車外圓→30工序檢驗。

改善后的零件加工效果見圖7。經檢查，尺寸精度、形位公差和表面粗糙度均滿足圖紙設計要求。

圖7 零件加工效果Fig.7 Part processing effect

5 結語

為實現不同的功能要求，非金屬材料的應用越來越多，但多樣化的材料在實際生產中的選用使得機械加工難度不斷增加。對于初次接觸的新材料，應掌握材料特性，通過不斷試制摸索，制定合理的加工方案。

本研究對問題原因進行深入分析，經過工藝優化和刀具合理的刃磨、改變切削受力方向，有效改善了零件表面的撕裂狀況，保證了零件表面質量、尺寸精度及形位公差要求，為加工低強度非金屬材料提供了新思路。