PEEK 工程塑料车削加工

钱青，范存辉，臧元甲

郑州飞机装备有限责任公司 河南郑州 450000

1 序言

碳纤维加强型P E E K材料在加入碳纤维后有效提高了材料耐磨性及力学性能，是一种性能优异的特种工程塑料。其中PEEK5600CF30材料的高耐磨性、突出的力学性能使其在气密密封、支撑定位的零部件中得到广泛应用。在车削加工PEEK5600CF30材料时也遇到了较大的问题，例如刀具磨损较快、加工效率低，在加工高精度尺寸时，刀具补偿值变化较大，加工精度不易保证。PCD（聚晶金刚石）刀具材质具备颗粒结合紧密、不易破损及耐磨性高等优点，作为车削刀具，前后角均可达较大值，切削力较小，适用于非金属材料的加工[1-3]。

2 零件的结构特征及加工问题

我单位车削加工的弹射挂弹钩减磨环材质为碳纤维加强型工程塑料PEEK5600CF30，零件壁厚为1＋0.04－0.01mm，内孔及外圆表面粗糙度值Ra为1.6μm，外圆直径为30～55mm，长度为1～10mm，零件结构和三维立体图如图1、图2所示。

图1 减磨环结构

图2 减磨环三维立体图

加工PEEK特种工程塑料目前主要面临三大问题：一是采用硬质合金刀具加工，刀具寿命极差；二是加工过程中无法有效保证零件的尺寸精度和表面粗糙度，质量稳定性差；三是车削加工效率低，切削参数需要优化[4，5]。

3 解决方案

3.1 PCD刀具

一般的PCD刀具由金属刀具、PCD贴片及粘结层三部分组成。图3为典型的PCD刀片结构示意图，硬质合金金属基体与PCD贴片之间靠粘结层连接。

图3 PCD刀具

PCD刀具质量主要由PCD贴片的磨削质量及PCD贴片的材质质量决定。目前国内主要的PCD刀具厂商已能实现PCD材料的国产化及精密加工。因此国产PCD刀具的价格已从20世纪90年代的高不可攀下降到基本与高品质硬质合金相差无几。但是与进口PCD刀具相比，国产PCD刀具仍存在一些不足，例如质量不稳定，使用寿命较短等。一些国产PCD刀具使用的材料为进口材料，受制于国内加工水平，其刃口处理工艺仍与国外存在差距。按照组成材料的金刚石颗粒大小将常用到的PCD材料分为20、30及30M等级别。颗粒度越大，材料标号越大。与硬质合金颗粒度大小相似，较大的颗粒度耐磨性较好，适合加工硬度较大材料。

3.2 刀具的选择

以PEEK5600CF30材料的典型零件弹射挂弹钩减磨环加工为试验对象，分别使用硬质合金刀具和PCD刀具进行加工，观察两者磨损的区别及磨损值变化，并对两者加工参数进行对比。刀片材质、加工设备及加工零件数量见表1。

表1 刀片材质、加工设备及加工零件数量

硬质合金刀片加工过程中易发生前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损及沟槽磨损。在刀具磨损初步阶段，刃口因碳纤维挤压作用易发生崩裂；前刀面涂层在碳纤维材料摩擦下迅速破损，刀片基体发生快速磨损，造成刃口强度进一步降低，切削刃破损加剧；在剧烈磨损阶段，刀具后刀面磨损严重，刀尖圆弧形状破损（见图4），造成零件加工精度下降，翻边、毛刺现象严重，表面质量无法保证。

图4 刀尖圆弧形状破损

图4所示刀片使用OLYMPUS高倍电子显微镜测得的刀尖圆弧半径值为0.34mm，未使用的刀片刀尖半径为0.4m m，差值说明理论刀尖位置的偏差为－0.06mm。当按照第一件零件加工时测得的刀尖位置加工，意味着零件加工轮廓误差为+0.06mm。对比减磨环零件壁厚公差＋0.04－0.01mm，此种公差足以使零件报废。

采用PCD聚晶金刚石刀具后，刀具磨损情况得到有效改善，在同样的加工时间及切削条件下，刀片仅前刀面发生低程度磨损，刃口基本完整，刀尖圆弧形状保持较高精度（见图5），零件加工精度得到较大改善。

图5 刀尖圆弧形状保持较高精度

图5所示为刀片使用OLYMPUS高倍电子显微镜测得的刀尖圆弧半径值为0.385mm，未使用的刀片刀尖半径为0.4mm，差值说明理论刀尖位置的偏差为－0.015mm。当按照第一件零件加工时测得的刀尖位置进行加工，意味着零件加工轮廓误差为+0.015mm。对比减磨环零件壁厚公差＋0.04－0.01mm，此时零件依旧合格。

通过此项试验可以得出结论：硬质合金刀片不适合车削PEEK5600CF30材料，PCD刀具适合车削PEEK5600CF30材料，采用20级别的PCD刀具即可满足需要。实际加工中选用的外圆PCD车刀如图6所示。

图6 外圆PCD车刀

3.3 加工尺寸精度误差分析

（1）刀具切削力对减磨环加工的影响 零件加工过程中如数控程序按减磨环零件正常尺寸编制，发现加工后内孔形状及外圆形状带有锥度：在10～12mm长度上，零件内孔变化量为0.04～0.05mm，外圆变化量为0.01～0.03mm。内孔及外圆形状如图7所示。

图7 内孔及外圆形状

分析原因为零件口部刚性较低，在刀具切入过程中发生让刀现象。经加工调试，将零件加工后锥度在数控程序中补偿，较好地保证加工精度。经过零件试加工，内孔口让刀量与零件轴向长度存在直接联系。轴向尺寸增加，孔口变形量加大。在编程过程中将锥度补偿后，能有效提高零件加工精度。

（2）刀具磨损对零件加工尺寸精度和表面质量的影响 以加工减磨环零件为例，经过现场验证的情况如下：在加工400件后由于刀具磨损剧烈，如继续使用，建议每加工50件调整一次刀补值及锥度，每次调整直径值0.02mm。加工条件为：使用CTX310数控机床，加工PEEK5600CF30棒料，刀具为某国产PCD内孔镗刀。加工参数：主轴转速1800r/m i n，进给量0.06m m/r，精车加工余量0.05mm，700～800件后不建议继续使用，强制换刀。进行这种操作的原因为刀具磨损造成切削力变大，进而影响到零件的尺寸精度和表面质量，必须及时调整刀具刀补值与数控程序才能保证零件加工合格率。

3.4 切削参数

表2为推荐使用的PCD刀具牌号及对应的切削参数。此参数的使用条件：加工机床为CTX310数控车床，零件壁厚值≥1mm，加工外圆直径30～50mm。此外注意上述所使用PCD刀片的生产厂家为SECO （山高），其余品牌的刀具参数可在此基础上微调。

表2 推荐使用的PCD刀具牌号及对应的切削参数

4 结束语

经过对PEEK工程塑料车削加工性能的研究与应用，PEEK5600CF30材料的车削加工效率和质量都得到有效提高。