聚四氟乙烯材料切削工藝和應用研究進展

摘要：聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）因其優異的物理化學性能而成為生產制造電子通信、航空航天等領域關鍵零部件的重要材料。相比模壓燒結工藝，切削工藝能夠更高效地加工結構較為復雜的PTFE零部件。然而，PTFE材料具有韌性強、回彈性高、導熱性差和線膨脹系數大等特點，使得其切削加工質量難以保證，在一些特殊領域，對PTFE零部件的表面潔凈度更是有極高的要求，這些都對PTFE材料的切削工藝提出了新的挑戰。從PTFE材料的基礎力學和物理化學等特性出發，總結了PTFE材料的切削加工性；結合聚合物切削理論及其研究方法分析了PTFE材料的切削去除機理；闡述了PTFE及其復合材料的車、銑、鉆等切削加工工藝；最后概述了PTFE材料切削工藝在相關重要領域的應用現狀，并從材料性能研究、基礎切削理論研究、切削工藝探索等方面總結了現有研究和應用中存在的問題，對未來研究的發展趨勢和研究重點進行了展望。

關鍵詞：聚四氟乙烯；切削機理；切削工藝；力學性能

中圖分類號：TH16

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.03.012

1聚四氟乙烯材料切削加工研究現狀

聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）是一種以四氟乙烯作為單體聚合而成的高分子聚合物，于1938年由美國杜邦公司的Plunkett博士發明［1］。PTFE的分子表達式為-［CF2-CF2-］-n，其分子鏈具有螺旋構象，較大的氟原子與碳碳鏈骨架緊密地堆砌，連接在碳原子的兩個氟原子完全對稱，使其成為完全的非極性聚合物，并使分子間的吸引力和表面能較低［2］，這使PTFE具有良好的自潤滑性、耐酸耐堿性、耐高溫性，可以在-180～260℃的工況下長期使用［3-5］，因此，PTFE被廣泛應用于電子通信、航空航天、光伏發電和生物醫療裝備制造領域［6-8］。

由于PTFE材料的熔融黏度極高，當外界溫度超過其結晶轉變溫度（327℃）時，雖然PTFE材料呈熔融狀態，但是流動性極差，且PTFE對無定形狀態下的剪切很敏感，容易產生熔體破裂［9］，故通常使用模壓成形的方法生產PTFE棒、板、圓管等毛坯和形狀簡單的零件。對于具有復雜結構或應用于特殊場合的PTFE零部件，還需進行二次加工，其中，切削加工應用最為廣泛，如圖1所示。首先在室溫下將PTFE粉末置于模具中壓制成密實的預成形品，此時PTFE材料呈結晶相和無定形相混合的狀態；再將預成形品置于燒結爐內，加熱到熔點以上，使其結晶相轉變為無定形相，形成密集、連續、透明的彈性體，之后通過降溫得到PTFE毛坯［10］；最后通過車削、銑削、鉆削和復合加工等方式將毛坯加工成形。然而，PTFE材料的回彈性高、彈性模量低、剛度和導熱性差、線膨脹系數高等特性均不利于機械加工，給PTFE材料的高質量、高性能切削加工帶來巨大挑戰。

從發明PTFE至今，由于其切削加工技術在各個關鍵領域內的重要性和迫切需求，研究人員開展了廣泛的研究?；凇犊茖W引文索引（SCI）》、《工程索引（EV2-EI）》、《中國知網（CNKI）》檢索統計的國內外PTFE材料切削加工技術領域的文獻報道如圖2所示，尤其是近十年來，相關文獻發表數量呈現出快速增長趨勢，其中包含許多具有代表性的文獻。此領域研究人員主要關注以下幾個方面：①PTFE材料的切削加工性；②PTFE材料的切削加工理論；③PTFE材料的切削加工工藝（刀具、切削參數、冷卻技術等）；④PTFE復合材料的切削加工工藝。根據統計與預測，在2015年的全球氟聚合物市場中，PTFE及其衍生物產品占比高達60%，且其全球市場占比正以每年7%的增速增長；到2022年，全球PTFE需求達到29億美元［11-12］。目前，世界范圍內PTFE材料的主要供應商有旭硝子株式會社（日本）、科慕（美國）、大金株式會社（日本）、3M（美國）等。我國雖然是PTFE材料的生產大國，但是PTFE材料相關產品的性能與國際先進水平差距很大，國內PTFE材料切削加工相關的研究也不夠系統。隨著我國“十四五”規劃的提出，在航空航天、電子通信、光伏發電和生物醫療裝備制造等重要領域必然會對PTFE零部件和其切削加工工藝提出新的要求。

本文基于PTFE材料的材料特性、切削加工性和切削加工理論，對PTFE材料及其復合材料的切削工藝和應用研究現狀進行了綜述，根據PTFE材料切削加工過程中存在的主要科學問題和研究焦點進行了分析和總結，為PTFE材料的切削加工提供理論依據。

2PTFE材料的切削加工性

PTFE材料在切削加工過程中被切削層在刀具作用下與工件表面分離，該過程是不可逆的且伴隨有大應變和高溫狀態下的大變形，其中切削力、切削熱、振動、加工表面質量等物理現象都與切削變形有關［13］。切削加工過程中材料的力學性能和熱學性能是影響其切削變形的主要因素。PTFE材料具有強度和剛度低、硬度小、導熱性差、線膨脹系數大等特點，使得其切削加工性較為獨特。

從微觀角度出發，如圖3所示，PTFE材料的分子鏈中每個碳原子連接的兩個氟原子完全對稱，使PTFE成為完全的非極性聚合物。分子鏈的完全非極性是導致PTFE材料宏觀上力學性能不佳的主要原因［14］。為探究PTFE材料力學性能對其切削加工性的影響規律，研究者借助標準的力學性能檢測技術研究了PTFE材料在不同溫度、不同工況下的力學性能（如拉伸壓縮強度、蠕變、硬度等）［15-19］。表1列出了被廣泛報道的PTFE材料力學性能參數。

此外，根據圖3所示的PTFE分子鏈螺旋構象，該結構中氟原子與骨架碳原子的連接和緊密堆砌使得分子鏈產生很大剛性，分子鏈的高度規整又使PTFE產生高度結晶，這樣便決定了PTFE具有高耐熱性和高熔點［20］。但是，PTFE材料的熱導率較低，約0.20～0.24W/（m·K）。其線膨脹系數較大，約10×10-5～15×10-5m/（m·K），且對溫度較為敏感，在特定溫度（15～25℃）下會發生突變［21］。

PTFE作為非晶態高分子材料，玻璃態轉變溫度Tg是其重要性質之一［22-23］。該溫度是指非晶態高分子材料由玻璃態轉變為高彈態所對應的溫度，對材料的工藝性能有重要影響，如圖3所示。非晶態高分子材料通常處于玻璃態、高彈態（橡膠態）、黏流態三種物理狀態。在非晶態高分子材料切削過程中產生的切削熱足以達到甚至超過材料的玻璃態轉變溫度Tg，使材料呈現出不同的切削特性，并影響切削質量。當切削加工過程材料溫度大于或等于Tg時，非晶態高分子材料的分子鏈開始運動，材料呈現高彈特性甚至黏流特性，由于此時材料屈服強度較低，故能夠獲得較為光滑的已加工表面［24］。反之，當切削加工過程材料溫度小于Tg時，非晶態高分子材料處于玻璃態，材料呈現出高斷裂伸長率和高模量，此時獲得的已加工表面更為粗糙［25］。

目前，PTFE材料應用廣泛，生產廠家眾多，在材料制備技術、生產工藝等因素的影響下，來自不同渠道的PTFE材料自身的基礎物理化學性能出現差異，其中，包括玻璃態轉變溫度Tg。為精準調控PTFE材料的切削工藝，必須對其Tg進行準確高效的測量。本文統計了使用不同方法測量所得PTFE的玻璃態轉變溫度，見表2。

綜上所述，可以將PTFE材料的切削加工性總結為以下方面：

（1）PTFE材料的切削力一般為金屬材料的1/20～1/10。由于PTFE材料具有彈性模量低、剛度差等力學特點，致使其在切削加工過程中的切屑不能被完全去除［32］，并且可能會出現“避刀”現象。最終導致出現加工毛刺、邊緣過切、亞表面損傷和加工尺寸精度不佳等問題。

（2）PTFE材料的導熱性較差，若切削溫度過高且無法及時散發而累積在切削加工區域，會使PTFE材料“軟化”，甚至出現“粘刀”“焦化”等現象，最終導致工件表面質量差等問題。

（3）PTFE較大的線膨脹系數和對溫度的敏感性則要求必須對其加工溫度加以精確控制，避免由切削溫度累積造成的工件變形，導致工件加工精度下降。

3PTFE材料切削加工理論與工藝

3.1PTFE材料的切削加工理論

聚合物材料的廣泛應用使其切削加工理論也得以發展。對聚合物材料切削去除機理的研究最早可追溯到20世紀60年代［33］。相較于金屬材料，聚合物材料在切削過程中具有更明顯的流變效應，使得其材料去除機理較為復雜。學者們對此開展了一系列研究，并將正交切削法、側面方格變形觀察法、高頻攝像法、快速落刀法等研究金屬切削變形和去除機理的實驗方法運用于聚合物去除機理的研究過程。通過高速攝影觀察工件側方預制方格的變形情況可以發現［34］：PTFE材料切削過程中，切屑平滑而連續地產生，工件材料在刀具的作用下受到垂直于切削方向的拉伸應變和沿著切削方向的壓縮應變。在該過程中，生成的切屑厚度幾乎等于切削深度。這是由于PTFE具有較高的橡膠類彈性，斷裂伸長率大，在切削過程中被去除的材料層會在高彈性變形的作用下與工件表面發生“劈裂”現象從而分離。

材料的切削過程是一個大應變/應變率、非線性的過程，該過程涉及彈塑性力學、摩擦學、傳熱學等多學科交叉，僅用實驗法和傳統解析法對切削過程開展分析研究具有一定難度，且實驗裝備誤差、實驗人員操作熟練程度以及其他外界因素都不可避免地影響著實驗精確性。為更準確、高效、直觀地研究聚合物材料的切削去除機理，有限元仿真技術逐漸成為研究者的關注焦點之一。

有限元切削仿真過程中，材料的本構模型至關重要，它必須能夠將材料在切削過程中的應力應變等力學響應準確傳送至仿真軟件，以提高仿真結果精度。目前，由金屬切削理論發展而來的Johnson-Cook本構模型在多數聚合物材料切削仿真研究中得以應用［35-36］。YANG等［37］針對聚合物材料高密度聚乙烯（highdensitypolyethylene，HDPE）在不同切削深度下的材料去除行為開展研究，從力學性能試驗獲得的材料真實應力應變曲線出發，結合材料的剪切損傷破壞準則和屈服破壞準則，使用Johnson-Cook本構模型開發了一種顯式有限元模型，通過該模型研究了HDPE正交切削過程中不同切深和刀具角度下材料的成屑機制，結果表明材料去除層剪切帶內的應力大于“刀屑”接觸界面處的應力，且切屑卷曲直徑隨著摩擦因數和切削深度的增加而增加。為更準確表達聚合物材料自身彈性和黏塑性對仿真結果的影響，FU等［38］采用Mulliken-Boyce本構模型對熱固性聚合物材料的去除機理開展了有限元仿真研究，如圖4所示，結果表明：當未變形切屑厚度為10μm時，刀具的移動使“刀工屑”接觸區域的拉伸裂紋不斷擴展，進而形成連續切屑，而切屑背面的塑性變形大于切屑正面的塑性變形，導致切屑的彎曲；當未變形切屑厚度為20μm和30μm時，材料去除機理與上述過程一致；當未變形切屑厚度增加至50μm時，切削層材料的去除和切屑的形成則是由拉伸裂紋的擴展和隨后的突然剪切引起的；當未變形芯片的厚度增加到100μm時，產生了不連續切屑，這是由于切屑幾乎沒有發生塑性變形，聚合物材料的高交聯性能導致切削層材料很難通過分子鏈段的運動來適應芯片變形，從而使拉伸裂紋擴展至工件表面之后直接斷裂，切屑直接從工件剝離。

在聚合物材料切削加工理論方面，剪切面理論被廣泛應用，如圖5所示。剪切角與切削變形密切相關，從而成為了研究者的關注重點。目前常用的剪切角計算公式有Merchant和LeeandShaffer公式：

在聚合物正交切削過程中，Merchant剪切面理論可以在避免測量切屑厚度的前提下有效確定剪切角的大小，且在一定的切削條件下，聚合物切削過程的剪切角保持恒定（約45°）。此外，研究者還發現：聚合物材料切屑與工件的分離是通過斷裂發生的，切屑形成過程是由材料的剪切屈服和塑性彎曲行為決定的［39-41］。在此基礎上，WYETH［42］在Nylon66正交切削過程中不僅考慮了Merchant和LeeandShaffer剪切面理論的精確性，同時還考慮了材料的斷裂韌性與分離能對剪切角大小的影響，并引入Atkins剪切面理論，結果表明，當刀具前角較大時，Merchant理論對剪切角的預測值低于實驗值，而LeeandShaffer理論的預測值高于實驗值，Atkins理論的預測值與實驗值更加接近；當刀具前角較?。?°）時，三種剪切面理論的預測值與實驗值保持了良好的一致性，但是LeeandShaffer理論的預測值在切削深度較小時略低于實驗值。

在PTFE材料正交切削過程中，觀察到切屑不易從工件表面完全分離，切屑形成過程中會產生嚴重的撕裂等塑性變形，從而導致工件表面被“過度去除”并生成不規則毛刺，如圖6所示［43］。結合正交切削實驗和剪切面理論，可總結出PTFE切削過程材料去除機理和切屑毛邊的生成機理：切削過程中切屑所受真實應力小于PTFE的壓縮斷裂應力，故切屑為連續狀態；刀尖區域的材料在刀具的作用力下向切屑邊緣流動，在切屑邊緣形成片層狀結構，在應力集中效應下片層狀結構出現裂紋，隨后在切削力作用下擴展，最終形成切屑毛邊［44］。

目前在PTFE等聚合物切削機理和理論方面，對PTFE材料的切削本構模型和切削仿真研究報道較少，且無論仿真研究還是實驗研究，大部分研究集中于正交切削過程，分析方法和基礎理論大多沿用金屬切削理論。正交切削是一種較為簡單的切削方式，可以分析解釋單一或少數參數

下PTFE材料的去除機理、材料失效機理和成屑機制?，F有研究表明PTFE材料的切削機理因切削深度、刀具角度而異。PTFE材料自身屬性如玻璃態轉變溫度Tg、是否采用填料改性等同樣是影響其切削機理的重要因素。此外，PTFE材料作為非晶態高分子材料，其制造工藝的細微區別會造成其結晶度的差異，導致PTFE材料的力學性能發生變化進而影響其切削特性。在實際生產加工過程中，PTFE材料的車削、銑削、鉆削等方式相較于正交切削更為復雜，且切削模式不唯一。因此，將正交切削用于PTFE材料切削機理的解釋較為理論化且存在一定的局限性，需綜合考慮PTFE材料自身特性、刀具材料和幾何結構、切削參數、冷卻方式等因素，結合正交切削機理對不同切削工藝進行綜合分析。

3.2PTFE材料的切削工藝

PTFE材料切削過程切削力一般為金屬材料的1/20～1/10，但由于其彈性模量低、具有高彈性和導熱性差等特點，容易在切削過程中出現避讓變形和熱變形等問題，導致加工質量難以保證，因此，選擇合適的切削刀具、加工用量、冷卻技術和裝夾方式尤為重要。

3.2.1刀具的選擇

選用合適的刀具是保證切削質量的重要基礎。首先，不同材料刀具的硬度、耐磨性甚至表面粗糙度都對切削加工質量有著重要影響。目前常用的PTFE材料切削刀具主要有硬質合金、高速鋼、立方氮化硼、陶瓷、金剛石刀具等。由于PTFE材料的硬度較低，故刀具材料的硬度對其加工質量的影響相對較小［45］。王方凱［46］對PTFE薄壁件的車削工藝進行了探究，在此過程中分別使用刀具角度、刀刃鋒利度相同的硬質合金和高速鋼刀具，對于薄壁件，刀具抗振能力是影響加工質量的重要因素；該研究發現，PTFE薄壁件切削過程中高速鋼刀具在抗振能力、已加工表面粗糙度、螺紋完整性、已加工表面毛刺方面，高速鋼刀具均優于硬質合金刀具，因此，為保證PTFE薄壁件的加工質量，選用了高速鋼刀具，此外還指出須定期修磨刀具，保證其鋒利度也是提高加工質量的重要因素。朱春江［47］使用硬質合金刀具和立方氮化硼刀具對航空發動機產品中PTFE零件車削加工表面粗糙度的變化規律開展了研究，由于這些零件之間的配合面有接觸關系，且要求具備密封功能，故應具有較小的表面粗糙度，結果表明，使用立方氮化硼刀具時加工表面粗糙度最佳，達0.2～0.4μm；同時還指出在后續的研究中可使用金剛石刀具，因為其刀具本身表面粗糙度較?。?.025μm），可以在加工過程中再次優化PTFE材料加工表面的粗糙度。由于PTFE材料導熱性較差，切削過程切削熱的積累會造成已加工表面質量的下降，故刀具材料的導熱性也對PTFE材料的加工質量有重要影響。針對該問題，穎惠民等［48］使用三種導熱性不同的刀具（硬質合金、陶瓷和金剛石刀具）進行了PTFE車削實驗，結果表明，使用金剛石刀具時工件表面形貌最好；而使用陶瓷刀具時，由于陶瓷刀具散熱效果較差，導致工件表面形貌較差，出現了“波浪”狀的涌起，如圖7所示。

刀具必須具有合理的幾何形狀。刀具角度是確定刀具幾何形狀的重要參數。PTFE材料強度低、切削力較小，故可以選擇較大的前角和后角。但如果刀具前后角過大，會導致刀具散熱面積的減小和切削區域內切削熱的堆積，影響工件加工質量。此外，為降低PTFE材料高回彈性對切削質量的影響，

刀具還應盡量鋒利。如圖8所示，對于PTFE車削和銑削，刀具角度選擇如下：車削刀具的前角γ和后角α理想取值范圍分別為15°～25°和20°～30°，銑削刀具的前角γ和后角α的理想取值范圍分別為20°～45°和15°～30°；為了提高刀尖強度和散熱性，并減小切削抗力，主偏角的理想取值為κr=90°，副偏角取值范圍為10°～15°；此外，切削過程中刀具刃傾角的正負和大小決定了切屑流向，若切屑流向已加工表面，則會與已加工表面發生摩擦，導致表面質量下降，因此刃傾角應取正值，考慮到PTFE材料切削過程的穩定性和刀具實際前角，最終選擇刃傾角取值范圍在10°～15°之間；對于鉆削加工，為避免切屑黏附在鉆頭棱邊和螺旋槽上而造成切削溫度上升，前角應增大至35°～45°［49-50］。

綜上，刀具的材料和幾何參數均對PTFE材料的加工表面質量有重要影響。受到PTFE材料自身高彈性、導熱性差等特性的影響，需使用較為鋒利（刀尖圓弧半徑小、具有大前角和后角）且導熱性較好的刀具對其進行切削加工。立方氮化硼和金剛石刀具均展現出良好的加工性能。目前，對PTFE材料切削刀具選擇的研究大都集中于小批量生產的零部件以及單一工步切削實驗研究方面，由于PTFE材料比刀具材料的剛度、強度更低，故在短時間內的切削加工過程中刀具幾乎不出現磨損。PTFE材料切削過程刀具磨損對材料切削加工特性及已加工表面質量的影響還未引起廣泛關注。此外，隨著切削刀具技術的發展，具有表面微結構的刀具、涂層刀具已廣泛應用于金屬/非金屬材料的切削加工過程，但是在PTFE材料切削加工過程中的應用還鮮見報道，因此，對選擇適當的刀具以實現PTFE材料的高質量加工仍需深入研究。

3.2.2切削用量和冷卻技術

嚴格準確的工藝流程、適當的切削用量和冷卻技術是保證PTFE材料高質量切削的必要條件［51］。早在20世紀90年代，朱華峰［52］就對雷達產品中的PTFE高頻絕緣零件切削加工技術開展了研究，并對PTFE高頻絕緣零件的車削、銑削、鉆削和攻絲用量進行了討論。通常，可以將PTFE加工表面出現燒焦現象作為限制切削速度的參考；此外，當進刀完成后停留一定時間，如圖9所示，可以使因工件剛性差、彈性高所引起的“避刀”變形在彈性恢復過程中切除，從而提高PTFE材料的加工精度和表面質量［48，53］。CUI等［54］在固定主軸轉速（800r/min）的工況下開展了不同切深（0.2～1.0mm）和不同進給量（0.1～0.5mm/r）下的PTFE車削試驗（PTFE工件尺寸為30mm×80mm），他們觀察到所有工況下均生成了連續切屑，且在特定工況下由于切屑剛度較低，十分容易纏繞在工件表面且不易分離，如圖10所示，從而導致切削力增大和摩擦熱增加;為避免這些加工不利因素的出現，最終確定較為恰當的粗車削上述尺寸PTFE工件的切削用量如下：主軸轉速800r/min，切深0.8mm，進給量0.5mm/r。

NI等［55］通過設計田口實驗，進一步研究了PTFE材料車削性能和切削用量之間的關聯性，并通過綜合考慮PTFE材料過程中切削力做功、材料去除率和已加工表面粗糙度三個因素，提出了一種PTFE材料車削性能的評價指標（machinabilityindex，MI），MI值越大，表明相對應的切削用量越適用于切削加工。MI值計算方法如下：

NI等［56］還研究了PTFE鉆削過程中切削用量（主軸轉速、進給量）對加工質量的影響，建立并優化了鉆削力和扭矩的預測模型，結果表明，該模型對PTFE材料鉆削力和扭矩的預測值與實際實驗結果的平均誤差僅為5%和9%，能夠很好地指導PTFE材料的鉆削加工和切削用量選擇。以上PTFE材料切削用量的確定，需要大量的切削實驗提供數據支撐和經驗積累。為了減少成本并提高效率，正交試驗法、多目標優化算法、響應曲面法和方差分析等實驗設計和數學統計方法已被應用于PTFE材料切削用量選擇和優化［57-60］。

將冷卻技術應用于PTFE材料切削過程能夠改善和抑制因材料導熱性差、線膨脹系數高而引起的表面質量差和工件變形等問題。切削液能夠起到很好的潤滑和冷卻作用，進而改善上述問題。然而，切削液中的化學成分有可能會造成PTFE材料的結構發生化學退化，進而影響其使役性能，因此需要及時對殘留在工件表面的切削液進行清洗；此外，由于切削液具有潤滑作用，聚集在切削加工區域的冷卻液會令PTFE工件表面濕滑，使切削難以進行［51，61-63］。綜上，氣體冷卻技術更適用于PTFE材料的切削加工［49］。GAN等［64］在不同銑削參數條件下對比了干式切削、液體冷卻和低溫液氮冷卻工況下PTFE材料的銑削性能，發現在干式切削工況下切削熱難以散發，使用切削液后的冷卻效果也不能達到預期，使得切削區域溫度會上升至PTFE材料的玻璃態轉變溫度Tg以上；因此，切削區域內的PTFE材料會發生玻璃化轉變，PTFE分子鏈通過移動或者旋轉來適應切削力的作用，從而出現黏性流動現象，在該現象的作用下，已加工表面的微觀變形是不可逆的，最終生成毛刺等加工缺陷；而低溫液氮冷卻技術效果最優，抑制了玻璃化轉變引起的黏性流動，能夠有效改善已加工表面質量和亞表面層的損傷，如圖11所示。王一超［65］對PTFE材料車削加工技術展開了較為全面的研究，將低溫液氮冷卻技術應用于切削加工過程，并在優選刀具材料和角度的基礎上運用神經網絡模型

實現了對切削參數的優選，最終有效提高了PTFE材料的加工質量，為實際加工提供了可靠參考。

根據上述研究，傳統的切削加工工藝在加工PTFE這類導熱性差、剛度低、韌性強的材料時，表現出的可適應性較差，這對工藝參數的設置提出了較高的要求，若設置不當會引起已加工表面、亞表面的損傷。為此可通過設置適當的試驗方案（如田口實驗、正交試驗等）獲取PTFE材料切削加工的工藝數據，結合各類數學統計分析方法優化切削用量。還可以通過使用冷卻潤滑介質提高加工質量，但是PTFE材料具有自潤滑性，表面摩擦因數較小，液體潤滑冷卻介質可能不適用于其切削加工過程。此外，特殊功能的PTFE零部件有著高表面潔凈度的要求，液體冷卻介質中的有機物會吸附在工件表面而造成污染。氣體冷卻成為可行的方案之一，但是相關研究報道較少。因此，對PTFE材料切削加工過程的切削用量和冷卻技術研究仍是現階段的研究重點。

3.2.3工件裝夾技術

設計使用合理的夾具和裝夾方式是實現穩定切削和獲得高質量產品的重要保障。PTFE剛性差、線膨脹系數高，在裝夾過程中容易在夾緊力和環境溫度的影響下發生變形，對零件最終的尺寸精度造成很大影響。通常，PTFE工件在切削加工過程中采用“軟爪”夾持，即45鋼，賽鋼（聚甲醛，Polyformaldehyde，POM）等未熱處理或調質的金屬材料和非金屬等材料制成的夾爪，但仍無法完全避免上述問題的出現。為此，研究人員提出了以下改進措施。

首先，為盡量避免環境溫度對PTFE工件尺寸的影響，應保證其裝夾、切削、裝配過程在恒溫車間（20±2℃）內進行［66-67］。其次，在車削過程中，使用機床夾爪直接夾持PTFE工件不僅會導致工件受力變形，機床主軸的熱量也會傳遞至工件造成工件變形，因此，可以使用過盈芯軸裝夾PTFE工件，使夾緊力均勻分布在工件表面，避免機床夾爪與工件直接接觸，減少夾緊力和機床系統溫度對工件加工精度的影響［66，68］，如圖12a所示。然而，對于尺寸較小的零件，使用過盈芯軸裝夾可能會出現“工件芯軸”接觸面摩擦力過小的問題，導致工件在加工過程中“打轉”，無法正常完成切削，為此，可以考慮使用開縫套筒裝夾［69］。但是開縫套筒無法控制夾緊力的大小，可能會對加工精度造成影響。高磊等［70］針對這一問題設計了帶有金屬限位塊的新型開縫套筒，并成功應用于PTFE材料的車削加工過程，有效提高了產品的加工質量，如圖12b所示。此外，在銑削過程中，張寧健等［71］利用磁鐵定位和吸引的原理，針對PTFE盒體零件的切削加工設計出一種非常規夾具，如圖12c所示，具體使用方法如下：按照規劃路徑先加工四個腔體，再銑削去除加強筋。由于腔體加工完成后PTFE盒體底部余量較少，為避免盒體底部在切削力的作用下被拉拽變形，使用4塊強力磁鐵將零件的底部與工作臺壓平并固定，以完成加工。

由此可見，PTFE材料切削過程的裝夾技術是保證零部件加工質量的重要一環。不同于金屬材料的裝夾，由于PTFE材料較軟、線膨脹系數較大，其裝夾過程需更多地考慮裝夾力、環境溫度和裝夾形式等因素對其裝夾變形和加工質量的影響。對于不同外形結構的PTFE零部件，必須針對性地設計適用于當前加工工藝的工裝夾具，以改善零部件的加工質量。

4PTFE復合材料的切削工藝

PTFE材料具有諸多優異的物理化學性能，但是其自身剛性低、耐磨性差等問題在一定程度上限制了PTFE材料的應用范圍。為解決這些問題，進一步擴大PTFE材料的應用領域，填充改性逐漸成為了重要方法之一。目前，常用的填充材料可以分為4大類：無機材料、金屬材料、有機材料和納米顆粒［72-73］。PTFE填充改性復合材料的主要制備流程包括預處理、混料、模壓成形、燒結、冷卻和后處理等過程，如圖13所示［74］。其中，預處理過程包括熱處理、干燥處理和過篩等，如在制備青銅粉與碳化硼填充PTFE復合材料時［75］，需將青銅粉置于空氣中加熱至38℃，氧化10h，以減少青銅粉在后續高溫燒結過程中的熱分解和著火危險；還需將PTFE和碳化硼粉末在85℃下干燥10h，以避免燒結時因水分蒸發而使試樣產生氣泡，甚至發生開裂現象。根據上述工藝流程，選擇填充材料的一般原則如下：能改善PTFE的力學性能等；燒結時填料性能不發生改變；PTFE不會與填料材料發生化學反應；填料自身分散性較好等。

填料的加入使PTFE復合材料的結構更加復雜，其可加工性也更加難以預測，為此學者們對PTFE復合材料的切削加工技術及可加工性開展了一系列仿真和實驗研究。李波［76］首先對比了PTFE和銅顆粒增強PTFE材料（Cu/PTFE）的力學特性，以探究Cu顆粒對Cu/PTFE材料力學性能的影響，在此基礎上使用Johnson-Cook本構模型結合有限元仿真軟件建立了Cu/PTFE復合材料的微觀多相模型，研究了Cu/PTFE材料的切削機理和車削工藝參數對其切削加工性能的影響，有限元仿真和實驗結果表明：已加工表面會出現顆粒壓入、顆粒拔出空洞、“刀工”剪切斷裂三種混合形式的材料去除模式；不同進給速度下已加工表面粗糙度隨著溫度的上升而增加，溫度的升高會使PTFE基體軟化，銅顆粒更容易以壓入或拔出的形式出現；為提高已加工表面質量，應選用更小尺寸的顆粒，并使它們更均勻地分布在PTFE基體中，如圖14所示。FETECAU等［77］和STAN等［78］使用PCD刀具針對航天工業中常用的兩種PTFE復合材料——32%碳和3%石墨增強聚四氟乙烯（PTFECG32-3）、15%再生石墨增強聚四氟乙烯（PTFEGR15）的車削性能展開了研究，依據田口法制定了實驗方案，利用自行研制的切削力測量系統采集了切削力信號，通過對切削力和表面粗糙度數據的信噪比分析和方差分析，研究了切削參數對上述兩種材料切削性能的影響規律，并推導出相應的預測模型，在此基礎上進一步研究了刀具幾何參數對PTFECG32-3和PTFEGR15兩種材料切削性能的影響，結果表明：在切削速度不變的情況下，切削力隨前角的增大而顯著減??；加工PTFE及PTFE基復合材料時，建議采用高切削速度、低進給速度和大前角。

ANSARI等［79］運用方差分析方法研究了不同切削參數和刀尖半徑對青銅和二硫化鉬填充聚四氟乙烯材料切削性能的影響規律，他們發現，在PTFE基體中添加青銅金屬填充物會使切削力顯著增大；表面粗糙度隨進給速度、切削深度的增大而增大，隨刀具半徑的增大而減??；最終通過信噪比分析和灰色關聯分析，完成了對切削參數的優選。LI等［80-81］針對陶瓷-PTFE復合材料高速銑削過程中的切削參數選擇和刀具磨損問題展開了一系列研究，首先通過陶瓷-PTFE高速銑削試驗研究了TiN涂層硬質合金刀具的磨損機理，得到刀具磨鈍建議值VB=40μm，并提出了陶瓷-PTFE高速銑削過程刀具壽命預測方法；之后根據刀具壽命變化規律，提出了基于BP神經網絡和遺傳算法的切削參數選擇方法，最終優選出的切削參數如下：切削速度v=116.5mm/min，進給量f=0.2mm/r，切削深度ap=1mm，該研究結果可為陶瓷-PTFE復合材料的高速加工提供有效的工藝優化和質量提升途徑。

PTFE疊層復合材料是另一種常用的PTFE復合材料。該材料通過高溫壓合等一系列過程將PTFE與金屬、碳纖維增強材料等膠合在一起，之后對其進行二次機械加工達到使用要求，目前已廣泛應用于航空航天、電子通信等領域。但是，各層材料之間的加工性能差異較大，為疊層材料的高質量加工帶來了諸如材料燒傷嚴重、加工毛刺多等問題。顧平［82］對鋁基PTFE覆銅板切削過程的機床和刀具選擇、加工工藝路線設計、切削參數選擇、裝夾方式優化等問題開展了詳細研究，最終探索出一套適用于此類材料零件的機加工工藝，有效提高了產品的合格率。王昌贏等［83］利用單因素法設計了PTFE/CFRP/鋁合金疊層材料鉆削實驗，實驗所用刀具為類金剛石涂層硬質合金鉆頭，還討論了切削參數對鉆削力、鉆削溫度、切屑形態的影響規律，結果表明：從PTFE側鉆入時，由于PTFE材料導熱性差、切屑成粉末狀，會影響CFRP的鉆削性能；而從鋁合金側鉆入時鋁合金導熱性較好，且切屑為帶狀或節狀，有利于切削熱的擴散，從而為CFRP材料的鉆削營造了良好的溫度條件。

目前，PTFE復合材料因集合了PTFE材料和其他材料的優勢而得以廣泛應用，從而被賦予了更高的期望。常見的PTFE復合材料有粉末顆粒增強PTFE材料、PTFE和其他金屬非金屬材料制備而成的疊層材料等。從材料角度出發，PTFE復合材料受填料性質（填料力學性質、填料分布規律等）和其他疊層材料性質的影響，其切削機理與PTFE材料有較大區別，需考慮填料及疊層材料的去除機理、損傷機理和切削性能等。對此，目前尚無較為全面和系統的總結。綜上，PTFE復合材料的切削工藝將是未來重要的研究方向。

5PTFE材料切削工藝應用現狀

20世紀40年代，PTFE材料切削加工而成的密封件、墊片等產品就因耐輻射、耐腐蝕、高低溫性能穩定等特點而被大量應用于核工業設施中［2，84］。隨著人們對這一材料更深入的了解和切削加工技術的進步，PTFE材料切削工藝和相關產品進一步在許多重要領域得以應用，如電子通信、航空航天、光伏發電裝備制造等。

在電子通信領域，近年來5G技術的商業化對相關電子元器件的高頻、高速傳輸信號功能提出了新的要求。PTFE高頻覆銅板具有較低的介電損耗（介電常數DK=2.0（1MHz）），且物理化學性能優異，因此成為了主流應用材料［85］。高頻覆銅板的層間電氣互連是通過金屬化孔實現的，金屬化孔的可靠性直接關系到高頻覆銅板的使用性能。鉆孔工藝是PTFE高頻覆銅板金屬化孔的難點之一，目前常用的覆銅板孔加工工藝有切削加工工藝（機械鉆孔）和特種加工工藝（激光鉆孔）等［86-87］。

在航空航天領域，PTFE材料主要用來制作航天產品連接部分的密封件，以適應極端溫度（高溫、低溫）環境。另外，PTFE材料密度是常規密封材料的1/3～1/2，如果在航空器上大范圍使用可以獲得較好的減重效果。雖然此類密封件一般采用模壓成形，但是航天產品的研制具有技術狀態更新快、產品數量批量小等特點，而模壓成形生產周期較長、成本高，所以很難滿足產品的研發生產需求。因此，應用于航空航天領域的PTFE密封件往往采用加工周期短、成本較低的切削工藝來生產［2，4，53］。

在光伏發電裝備制造、生物醫療材料制備等領域，流體控制系統（流控系統）是生產制造過程中的重要組成部分。流控系統主要執行介質供應、介質混合、介質循環和介質回收等任務，其中包含上百種化學試劑與氣體參與物理化學反應。因此，流體控制元件（流控元件）如風囊泵、隔膜閥等已成為流控系統的關鍵元件，如圖15所示［88-92］。其中，高純度的PTFE材料憑借其優異的耐酸耐堿性和化學惰性被廣

泛應用于上述流控元件的關鍵零部件制造方面［93-94］。以PTFE風囊、PTFE彈簧、PTFE隔膜為例，這些關鍵零部件對加工尺寸精度具有極高的要求，PTFE隔膜厚度僅為200～300μm，但是PTFE材料無法通過注塑成形，對上述結構較為復雜的零件也難以直接通過模壓燒結工藝成形，因此，切削加工工藝成為首選。對于應用于特殊環節的流控元件，還應保證元件的潔凈度，避免固體顆粒、金屬離子、細菌等污染物對介質的污染［95-96］。這意味著在切削加工過程中，不僅要考慮加工精度和質量，還要兼顧加工環境、加工工藝等因素對PTFE零件已加工表面潔凈度的影響。這些都對相關PTFE零件的切削工藝提出了新的挑戰。

6總結與展望

本文針對PTFE材料的切削工藝，從材料的基礎力學性能、物理化學性能出發，首先總結了其切削加工性；之后結合聚合物切削理論及其研究方法分析了PTFE材料的切削去除機理；最后對PTFE材料及其復合材料的車、銑、鉆等切削加工工藝和應用進展進行了總結與歸納。目前，PTFE材料切削加工技術領域已取得顯著成果，相關文獻數量呈上升趨勢，但依舊存在諸多問題。根據前文綜述與PTFE材料切削加工技術的發展趨勢，得出的主要結論如下：

（1）在PTFE材料切削理論方面，大多數研究仍然延用金屬切削理論，而在有限元切削仿真技術方面尚未系統地建立適用于PTFE材料的切削本構模型。依據金屬切削理論模型能夠在一定程度上對聚合物材料的切削結果進行預測，但是其表達精確度還有進一步提升的空間。有限元仿真切削技術已逐漸成為聚合物材料切削加工領域關注的焦點。材料本構模型是有限元仿真的重要一環，模型參數主要通過不同溫度、不同應變率下的準靜態力學試驗和動態力學實驗獲得。目前，研究者已針對PTFE材料的力學性能進行了大量的準靜態/動態力學實驗研究，但是將相關實驗結果應用于建立PTFE材料的切削本構模型和有限元仿真切削過程的研究報道較少。在今后的研究中，建立適用于PTFE材料的切削本構模型，開發PTFE材料有限元仿真切削技術，是開展PTFE材料切削加工技術研究的重要保障。

（2）針對PTFE材料的切削加工工藝目前已有較為廣泛的研究，但是在PTFE零部件切削加工過程精度傳遞規律與加工質量之間的關聯性方面缺乏全面和系統的總結。國內外學者對PTFE材料的車削、銑削、鉆削等多種切削工藝開展大量研究后發現：由于PTFE材料具有剛度低、導熱性差、線膨脹系數大等特點，它在切削加工過程中表現出較差的可適應性，切削加工精度難以保證。但是由于大多數研究主要聚焦于單一、特定PTFE零部件的加工工藝，研究樣本相對較少，無法精確把握PTFE切削加工過程中的精度傳遞規律，故結合多學科交叉融合發展理念，使用數學統計方法、人工智能算法等對實驗數據進行分析、計算和優化，進而揭示各類PTFE材料零部件切削加工過程精度傳遞規律，提高PTFE材料加工精度，是現階段的研究重點。

（3）PTFE零部件在各個重大戰略領域的廣泛應用還對PTFE零部件的潔凈度提出了新的要求，由此引出了PTFE零部件超潔凈切削加工這一關鍵工藝。該技術涉及機械制造、高分子物理化學、表界面科學等多個學科，并且包含切削工藝參數對加工表面潔凈度影響規律，切削加工表面污染物生成、轉移、去除機理，加工表面超潔凈狀態維持性能演化規律等關鍵科學問題。這些都對PTFE材料的切削加工工藝提出了新的挑戰。

目前，PTFE材料已逐漸成為電子通信、航空航天、光伏發電和生物醫療等領域重要乃至關鍵零部件的主要生產材料。相較于模壓等加工方式，切削加工因其生產周期短、加工精度高、能適應復雜加工形狀的優勢而逐漸成為復雜PTFE材料零部件的主要生產方式。面向國家重大發展方向的關鍵技術需求，在長期從事切削加工工藝研究的基礎上，本文提出對建立適用于PTFE材料的切削本構模型、探究PTFE關鍵零部件切削加工過程精度傳遞規律、探索PTFE關鍵零部件超潔凈切削加工工藝三方面的研究展望，旨在通過系統地開展PTFE切削加工基礎理論與關鍵科學問題的研究，揭示PTFE材料的切削機理，獲得更精確的PTFE材料切削加工性能，進而提出滿足PTFE關鍵零部件高性能制造的先進切削加工工藝。此外，研究過程中形成的研究方法和總結出的研究經驗還可延伸至更多切削工藝研究領域，為我國突破“卡脖子”加工技術提供關鍵技術支撐，并為制造工程的發展提供新的思路。

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