聚四氟乙烯材料零件车削加工方法探索

■中国工程物理研究院（四川绵阳 621900）白宝州 杨庆辉

1.引言

聚四氟乙烯俗称“ 塑料王”，是一种耐高温、耐腐蚀的特种工程塑料，具有优良的电绝缘性、耐老化性能，以及吸水性小、摩擦因数低、自身润滑摩擦性能优异等特点，几乎能耐所有化学药品的腐蚀，可在－180～250 ℃条件下长期使用，广泛应用在化学化工和航空航天工业上。但由于强度低、刚性差、冷流性大、不能注射成型，需烧结成型。对于单件小批量这类零件的需求，一般需选用卧式车床车削加工而成，材料毛坯一般选用外购成型的板材或棒材。

2.零件结构工艺分析

某零件结构如图1所示，材料为聚四氟乙烯，加工数量为20件，内径尺寸203＋0.185＋0mm以及平面度0.2 mm为关键控制要素。零件属薄壁非金属材料加工件。形状虽然简单，但零件自身散热性差、热膨胀系数大，使零件车削过程产生较大的热变形影响，带来尺寸和形状公差控制的不确定性。所以必须在特定环境下，设计适合的工装，摸索合理的加工工艺参数来保证零件精度要求。

由于聚四氟乙烯材料的线膨胀系数为10×10-5（1/℃），且热传导性差，切削液难以充分将工件热量带走，连续加工存在一个较大的温升趋势，实际上工件温度每升高10℃，工件热膨胀将增大0.21 mm，已超出零件公差要求，当工件达到这样的膨胀量时，对车削工件端面将会产生更大影响，由于被零件夹持，工件向外膨胀受到限制，工件变形只有向内凹或向外弧形鼓出，其数量最大可达到几毫米。端面车削后将会出现一个中间变厚的趋势。因此加工该材料零件，需严格控制温升，控制温度的措施除了外界冷却外，主要是由切削参数决定。

零件加工难点主要是：薄壁非金属零件车削加工因温度变化对形状及尺寸影响较大，加工该零件需解决好以下几处：①如何选择适合的温度环境进行加工。②如何选择适合的刀具及切削参数。③如何选择合理的工艺路线及工装。

3.加工工艺试验

零件毛坯采用20 mm厚聚四氟乙烯板材，锯切成正四边形料，在卧式车床上一夹一顶车出外圆作为毛坯。最初工艺试验制定的工艺路线为：顶车外圆→粗车内型面→精车内型面→车另一端面→车成。各工序间，最后精车需工件充分冷却后再进行，工件装夹采用配车铜爪装夹，夹持力度很小，依靠手感达到最低限度满足车削要求。按此工艺路线加工后，工件没有满足要求，检测结果为：内底面平面度在0.35 mm左右，外底面平面度在0.65 mm左右，均为外凸面，底板厚度及形状不能满足要求；需控制内径尺寸，加工中按上偏差控制，加工后仍超差0.10 mm左右，主要由工件的圆度误差和锥度误差引起工件尺寸超差。

图1 零件结构图

工艺试验验证了工艺分析的变形趋势，加工中采用了控制刀具、切削参数以及充分冷却等降低温升措施，但仍不足以抵消切削过程自身发热的变形影响。工件到最后精车时，刚性太弱，即使很小的夹紧力，也会产生较大的夹持变形。要想避免这些因素的影响，还应减小装夹变形，对热变形进行释放，减小环境温度变化对加工尺寸的影响。

4.工艺措施

通过对变形原因的分析，须采用合理的工艺措施释放变形，稳定加工环境的温度，在刀具上增大刀具的前角和后角，使刀尖更加锋利，减少切削力。在切削参数上，减小吃刀深度，适当增大走刀量，减小一次走刀过程的发热量，新制定的工艺路线为：粗车外圆→粗车内型面→车工艺夹头→精车内型面→车另一端面→粗车内型面→车成。新方案加工示意图如图2～图3所示。

内型面精车，采用夹持工艺夹头，工件紧贴自定心卡盘，车削工件端面外圈时热胀变形为自由状态，以降低对内端面的影响，内孔加工未受自定心卡盘直接夹持，装夹变形大幅减小，加工时考虑热胀影响，仍按上偏差尺寸控制，适当预留热胀后回缩量。外圆及端面加工采用心轴装夹的型式，工件内孔加工好后，按内孔配制过盈心轴，配合过盈量根据工艺试验热胀情况控制在0.10～0.15 mm之间，通过预变形抵消工件的热胀变形，过盈装配后，工件不需要夹紧，夹紧过盈心轴即能加工，车削过程中，仍需控制温升，使工件始终处于拉紧状态，同时拉紧状态下避免工件端面的热胀变形。

图2 内型面加工示意图1.三爪卡盘 2.工件 3.车刀

图3 端面外圆加工示意图

加工时采用先加工端面后加工外圆，外圆精车后出现热胀变形，工件可轻松取下工装。加工过程在恒温（20±2）℃房间进行，避免外部环境温度不一致引起尺寸的变化。

5.结语

零件批量加工完毕，各项要求达到了理想的效果，内径尺寸普遍控制在203.05～203.13 mm之间，底面平面度未超过0.15 mm。在非金属材料聚四氟乙烯的加工中，通过优化切削参数、控制温升以及采用过盈工装预变形处理，可以大幅减小该材料车削加工中的热变形影响。使该类零件的批量加工得到了质量保证，同时该加工方法还有利于提高生产效率。

[1]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2]张耀寰.机械加工工艺设计手册[M].北京：航空工业出版社，1987.

[3]孟少农.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，1991.