
1 序言
碳纖維加強型PEEK材料在加入碳纖維后有效提高了材料耐磨性及力學性能,是一種性能優異的特種工程塑料。其中PEEK5600CF30材料的高耐磨性、突出的力學性能使其在氣密密封、支撐定位的零部件中得到廣泛應用。在車削加工PEEK5600CF30材料時也遇到了較大的問題,例如刀具磨損較快、加工效率低,在加工高精度尺寸時,刀具補償值變化較大,加工精度不易保證。PCD(聚晶金剛石)刀具材質具備顆粒結合緊密、不易破損及耐磨性高等優點,作為車削刀具,前后角均可達較大值,切削力較小,適用于非金屬材料的加工[1-3]。
2 零件的結構特征及加工問題
筆者單位車削加工的彈射掛彈鉤減磨環材質為碳纖維加強型工程塑料PEEK5600CF30,零件壁厚為1mm,內孔及外圓表面粗糙度值Ra為1.6μm,外圓直徑為30~55mm,長度為1~10mm,零件結構和三維立體圖如圖1、圖2所示。
圖1 減磨環結構
圖2 減磨環三維立體圖
加工PEEK特種工程塑料目前主要面臨三大問題:一是采用硬質合金刀具加工,刀具壽命極差;二是加工過程中無法有效保證零件的尺寸精度和表面粗糙度,質量穩定性差;三是車削加工效率低,切削參數需要優化[4,5]。
3 解決方案
3.1 PCD刀具
一般的PCD刀具由金屬刀具、PCD貼片及粘結層三部分組成。圖3為典型的PCD刀片結構示意圖,硬質合金金屬基體與PCD貼片之間靠粘結層連接。
圖3 PCD刀具
PCD刀具質量主要由PCD貼片的磨削質量及PCD貼片的材質質量決定。目前國內主要的PCD刀具廠商已能實現PCD材料的國產化及精密加工。因此國產PCD刀具的價格已從20世紀90年代的高不可攀下降到基本與高品質硬質合金相差無幾。但是與進口PCD刀具相比,國產PCD刀具仍存在一些不足,例如質量不穩定,使用壽命較短等。一些國產PCD刀具使用的材料為進口材料,受制于國內加工水平,其刃口處理工藝仍與國外存在差距。按照組成材料的金剛石顆粒大小將常用到的PCD材料分為20、30及30M等級別。顆粒度越大,材料標號越大。與硬質合金顆粒度大小相似,較大的顆粒度耐磨性較好,適合加工硬度較大材料。
3.2 刀具的選擇
以PEEK5600CF30材料的典型零件彈射掛彈鉤減磨環加工為試驗對象,分別使用硬質合金刀具和PCD刀具進行加工,觀察兩者磨損的區別及磨損值變化,并對兩者加工參數進行對比。刀片材質、加工設備及加工零件數量見表1。
表1 刀片材質、加工設備及加工零件數量
硬質合金刀片加工過程中易發生前刀面月牙洼磨損、后刀面磨損及溝槽磨損。在刀具磨損初步階段,刃口因碳纖維擠壓作用易發生崩裂;前刀面涂層在碳纖維材料摩擦下迅速破損,刀片基體發生快速磨損,造成刃口強度進一步降低,切削刃破損加劇;在劇烈磨損階段,刀具后刀面磨損嚴重,刀尖圓弧形狀破損(見圖4),造成零件加工精度下降,翻邊、毛刺現象嚴重,表面質量無法保證。
圖4 刀尖圓弧形狀破損
圖4所示刀片使用OLYMPUS高倍電子顯微鏡測得的刀尖圓弧半徑值為0.34mm,未使用的刀片刀尖半徑為0.4mm,差值說明理論刀尖位置的偏差為-0.06mm。當按照第一件零件加工時測得的刀尖位置加工,意味著零件加工輪廓誤差+0.06mm。對比減磨環零件壁厚公差mm,此種公差足以使零件報廢。
采用PCD聚晶金剛石刀具后,刀具磨損情況得到有效改善,在同樣的加工時間及切削條件下,刀片僅前刀面發生低程度磨損,刃口基本完整,刀尖圓弧形狀保持較高精度(見圖5),零件加工精度得到較大改善。
圖5 刀尖圓弧形狀保持較高精度
圖5所示為刀片使用OLYMPUS高倍電子顯微鏡測得的刀尖圓弧半徑值為0.385mm,未使用的刀片刀尖半徑為0.4mm,差值說明理論刀尖位置的偏差為-0.015mm。當按照第一件零件加工時測得的刀尖位置進行加工,意味著零件加工輪廓誤差為+0.015mm。對比減磨環零件壁厚公差mm,此時零件依舊合格。
通過此項試驗可以得出結論:硬質合金刀片不適合車削PEEK5600CF30材料,PCD刀具適合車削PEEK5600CF30材料,采用20級別的PCD刀具即可滿足需要。實際加工中選用的外圓PCD車刀如圖6所示。
圖6 外圓PCD車刀
3.3 加工尺寸精度誤差分析
(1)刀具切削力對減磨環加工的影響 零件加工過程中如數控程序按減磨環零件正常尺寸編制,發現加工后內孔形狀及外圓形狀帶有錐度:在10~12mm長度上,零件內孔變化量為0.04~0.05mm,外圓變化量為0.01~0.03mm。內孔及外圓形狀如圖7所示。
a)零件加工后理論狀態 b)零件加工后實際狀態
圖7 內孔及外圓形狀
分析原因為零件口部剛性較低,在刀具切入過程中發生讓刀現象。經加工調試,將零件加工后錐度在數控程序中補償,較好地保證加工精度。經過零件試加工,內孔口讓刀量與零件軸向長度存在直接聯系。軸向尺寸增加,孔口變形量加大。在編程過程中將錐度補償后,能有效提高零件加工精度。
(2)刀具磨損對零件加工尺寸精度和表面質量的影響 以加工減磨環零件為例,經過現場驗證的情況如下:在加工400件后由于刀具磨損劇烈,如繼續使用,建議每加工50件調整一次刀補值及錐度,每次調整直徑值0.02mm。加工條件為:使用CTX310數控機床,加工PEEK5600CF30棒料,刀具為某國產PCD內孔鏜刀。加工參數:主軸轉速1800r/min,進給量0.06mm/r,精車加工余量0.05mm,700~800件后不建議繼續使用,強制換刀。進行這種操作的原因為刀具磨損造成切削力變大,進而影響到零件的尺寸精度和表面質量,必須及時調整刀具刀補值與數控程序才能保證零件加工合格率。
3.4 切削參數
表2為推薦使用的PCD刀具牌號及對應的切削參數。此參數的使用條件:加工機床為CTX310數控車床,零件壁厚值≥1mm,加工外圓直徑30~50mm。此外注意上述所使用PCD刀片的生產廠家為SECO (山高),其余品牌的刀具參數可在此基礎上微調。
表2 推薦使用的PCD刀具牌號及對應的切削參數
4 結束語
經過對PEEK工程塑料車削加工性能的研究與應用,PEEK5600CF30材料的車削加工效率和質量都得到有效提高。