聚四氟乙烯材料端面余弦曲線槽的車削

■ 中國電子科技集團有限公司第三十八研究所 （安徽合肥 230088） 高 磊 王建中

聚四氟乙烯材料有良好的電氣絕緣性能和耐化學品性能，被廣泛應用于電子工業領域。但由于其強度低、剛性差、冷流性大及不能注塑成形等特征，因此多采用車削、銑削等機械加工制作聚四氟乙烯零件。圖1所示零件是我所某產品部件的關鍵零件，材料為聚四氟乙烯棒SFBN，尺寸精度和表面質量要求均較高，尤其兩端面槽為特殊的余弦曲線形狀，共2個周期，曲線公式y＝0.5cos（0.885πx），其形狀加工難度較大，尺寸精度難以保證。

圖1 零件結構

1. 零件加工方法

該零件加工的關鍵點是裝夾引起的變形和余弦曲線端面槽加工成形兩大難題。

（1）裝夾引起的零件變形問題 當零件一端加工好后，掉頭加工另一面時，采用軟自定心卡盤裝夾，當零件完成加工后，經測量發現零件的內圓為三棱形，無法滿足零件的精度要求。采用鋁材料再按原方案加工，零件內圓完好，因此判定為裝夾引起零件變形。進一步分析原因，由于聚四氟乙烯材料的剛性差，即使已加工的軟自定心卡盤的孔徑與零件外圓一致，夾緊力很小，仍然引起零件發生微量變形，導致零件內孔直徑超差。

（2）余弦曲線端面槽的成形 數控車床加工時采用尖刀，通過編制宏程序加工余弦曲線槽。但在實際加工中，遇到加工出的余弦曲線不完整的情況，原因是該零件余弦曲線槽面開口尺寸較小，當加工到余弦曲線槽底部時，刀具與余弦曲線槽側面發生干涉，破壞了曲線的完整性，雖然將刀具的尖角減至最小，但是仍無法避免干涉，導致使用數控車床無法加工該余弦曲線。

2. 解決措施

（1）解決裝夾引起的零件變形 由于軟自定心卡盤裝夾方式會引起零件變形，因此采用過盈心軸的裝夾方式進行試驗，這也是加工聚四氟乙烯材料常用的裝夾方式。過盈心軸裝夾是利用零件內孔與心軸通過過盈配合產生的摩擦力來抗拒零件的切削力，從而實現車削。這樣的裝夾方式，由于夾緊力均勻分布在零件的內孔，因此不易引起零件發生變形。在試驗過程中發現，雖然可以勉強加工，但是由于零件的端面槽為連續圓弧，切削阻力大，而內孔與心軸的接觸面太小，摩擦力也小，極易引起零件在心軸上“打轉”，切削過程極不穩定，造成廢品率較高，因此過盈心軸裝夾方式不適用。

（2）開縫套筒裝夾方式的改進 綜合考慮以上因素，決定采用開縫套筒裝夾外圓的方式。由于該裝夾方式接近全包圍零件外圓，夾緊力均勻分布在零件外圓上，因此不易造成零件變形。

常用的開縫套筒裝夾方式如圖2所示，在試驗過程中發現，零件加工完成后出現零件外圓變小，厚度增大的現象。這是由于聚四氟乙烯材料彈性模量低，在夾緊力作用下材料發生冷流，無法恢復造成的。同時也說明常用的開縫套筒裝夾無法控制夾緊力的大小，且容易過大。

圖2 開縫套筒裝夾

為了控制夾緊力，對原有的開縫套筒裝夾方式進行了改進。制作新型開縫套筒，控制開縫套筒內徑與零件外徑過盈量在0.03～0.05mm， 將開縫套筒的長度改為10mm，配車臺階軟自定心卡盤夾持，保證軸向定位精度，且開縫套筒可以重復使用。在開縫套筒內孔增加金屬限位塊（見圖3），限制最大夾緊力。改進后進行驗證加工，經檢測，零件沒有再發生裝夾變形，證明改進后的裝夾方式有效，避免了零件變形和聚四氟乙烯材料冷流現象。

圖3 新型開縫套筒裝夾

（3）余弦曲線端面槽的成形加工 由于余弦曲線無法用尖刀加工，因此選用成形刀具。

1）刀具材料的選擇及要求。聚四氟乙烯屬于易切削材料，因此刀具材料選用高速鋼即可滿足切削需求。刀具切削部分的表面粗糙度是影響零件表面粗糙度的重要參數，至少要比零件的表面粗糙度提高一個等級，才能保證零件的表面粗糙度。由于零件的表面粗糙度值Ra要求為1.6μm，所以刀具的表面粗糙度值Ra≤0.8μm。成形刀具為2個余弦周期，且尺寸小，因此刀具后角不能干涉切削，使余弦曲線不完整。

2）成形刀具的設計與制作。綜合以上要求，成形刀具的設計如圖4所示，主后角設計為20o，為了刀具安裝時能夠定位準確，設計了A、B2個對刀測量面，并平行于余弦曲線的中心線，刀具所有成形面表面粗糙度值Ra≤0.8μm。

由于數控慢走絲線切割機床加工的表面粗糙度值R a≤0.4μm，所以成形刀具采用數控慢走絲線切割機床加工，余弦函數方程y=0.5cos（0.885πx）采用Mastercam軟件轉化成圖形，再把圖形轉換成實際坐標切割成形刀具，使用設備的上、下異形切割功能，切割刀具曲線輪廓的同時，保證刀具后角。由于成形刀具刃磨前角會破壞原有余弦曲線的輪廓精度，所以刀具采用0°前角。

圖4 成形刀具

3）成形刀具的安裝和使用。為了保證余弦曲線加工精確，成形刀具在安裝時，前刀面必須與車床旋轉中心高度一致，對刀測量面A和B與車床的軸線平行。具體的安裝方法如圖5所示，在機床導軌上架設一套磁性表架，將B面直線度校正在0.02mm以內，即可保證刀具軸向位置；然后進行徑向對刀（見圖6），用刀具A面車一段外圓，保證尺寸φ（5±0.01）mm，即φ（5±0.01）+φ（2×1）=φ（7±0.01）（mm），保證刀具的徑向位置。

圖5 刀具安裝

圖6 徑向對刀

（4）工藝要求及加工路徑 零件毛坯采用φ20mm的聚四氟乙烯棒，由于聚四氟乙烯材料的熱膨脹系數大，所以溫度的變化直接影響零件的尺寸精度。因為該零件車削余量較小，車削的時間也很短（以臥式車床主軸轉速980r/min，進給量0.025mm/r計算，最長車削時間不超過16s），所以車削時的熱變形量可以忽略不計。但是必須控制車削過程的環境溫度，使環境溫度的變化對尺寸的影響降至最小，因此在恒溫廠房（20±2）℃內完成加工。具體的加工路徑是：①自定心卡盤裝夾棒料，鉆孔φD+0.02+0至尺寸。車端面，車外圓φ（18±0.02）mm，取中間公差，即±0.01mm。②切斷，對長度L取中間公差，即（L±0.01）mm。③用手術刀片去除孔口毛刺。④采用新型開縫套筒裝夾，車左端面槽，掉頭裝夾，再車右端面槽（見圖7）。

圖7 車右端面槽

3. 實施效果

為了更精確地測量余弦曲線槽的尺寸輪廓精度，將零件對中剖開后，用萬能工具顯微鏡測量其坐標值（見圖8），記錄各坐標值（見表1），再經過計算，證明余弦曲線達到設計要求。

圖8 零件檢測

表1 余弦曲線槽實測坐標值

4. 結語

通過裝夾方式和成形刀具的改進與創新，順利實現了端面余弦曲線槽的加工，零件加工質量得到保證。特別是改進裝夾方式后，零件的夾緊力恒定可控，杜絕了冷流現象。刀具A、B面的設計，簡化了對刀過程，同時還提高了刀具位置精度。