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关于提高聚四氟乙烯材料切削加工质量的研究

【摘要】针对聚四氟乙烯材料在机械加工中的切削力小、导热系数低、热膨胀系数较大、熔点低的工艺特点,研究了聚四氟乙烯材料在几种常用机械加工工艺中出现的难点及问题,提出了能有效提高聚四氟乙烯乙烯材料切削加工质量的方法。

【关键词】聚四氟乙烯;机械加工;切削方法

聚四氟乙烯(Polyterafluoroethlene,简称PTFE),由于其良好的化学稳定性,耐腐蚀性、密封性,阻燃性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力等特性,在在石油化工、电子电气、军工、航空、航天、机械等多领域得以广泛应用[1]。通常情况下,聚四氟乙烯材料的切削加工可在常用的金属切削机床上进行,但与金属材料切削加工相比,其加工规范性还不是很完善,它的可切削性、切削规律、刀具结构和切削量均与金属材料的加工有所不同,采用用传统的加工工艺和工装加工往往达不到产品的设计精度要求。本文主要针对聚四氟乙烯乙烯材料性能特点,对聚四氟乙烯材料的切削加工特点及其改善措施进行了研究探讨。

1.聚四氟乙烯材料切削工艺特点及切削参数的选取

聚四氟乙烯材料的刚度、硬度、强度都相对较小,其拉伸强度为21-28MPa,弯曲强度为11-14MPa,伸长率为250%-300%。在应力长期作用下会变形,过载时容易出现蠕变现象。由于聚四氟乙烯以上性能特点,就导致其在切削加工时具有独特的工艺特点。

1.1 聚四氟乙烯材料的切削工艺特点

(1)切削力小。由于聚四氟乙烯刚度、强度、硬度均较低,在相同的切削条件下,切削45钢的主切削力是切削聚四氟乙烯材料的14-20倍[2]。

(2)聚四氟乙烯材料具有较小的导热系数,仅为0.27W/M·K-1,加之较低的耐热温度,其最高耐热温度仅为250℃。若切削量过大、切削速度较高,工件的切削温度则会升高,会使聚四氟乙烯材料发生软化,甚至出现熔化、焦化和“粘刀”现象。

(3)聚四氟乙烯具有较大的热膨胀系数,因此聚四氟乙烯材料在切削过程中会因摩擦产生较大的热量,容易刀具和工件的局部过热,从而导致聚四氟乙烯工件受热发生弹性变形,最终影响聚四氟乙烯材料工件的表面质量和尺寸精度。

(4)相对于金属材料,聚四氟乙烯的弹性模量很低,当切削加工进给量过大或转速过快时,较大的加工摩擦力以及刀具施加给工件的力共同作用,导致聚四氟乙烯工件产生较大的变形,从而影响聚四氟乙烯工件的加工精度。

1.2 聚四氟乙烯材料切削参数的合理选取

(1)刀具材料的选择

聚四氟乙烯材料在切削时,刀具材料一般为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢等。相对于刀具而言,工件材料的硬度较低,因此刀具的硬度对于聚四氟乙烯材料工件的加工质量影响不大。

(2)刀具的几何参数

刀具前角:对于聚四氟乙烯材料,由于工件材料强度、硬度较低,应选取相对较大的前角,从而减小切削力并降低切削热。

刀具后角:聚四氟乙烯材料硬度、强度低,塑性越大,因此在机械加工时应选择较大的后角,从而减小刀具和聚四氟乙烯工件之间的摩擦力,进而降低工件的局部过热现象,提高工件表面的加工质量。

(3)切削参数的选取

由于聚四氟乙烯材料强度低、硬度小,相对于金属制品而言,在切削加工时可以选择相对较大的切削量和较高的切削速度,但聚四氟乙烯的导热系数低,且具有较高的热膨胀系数大,在较大的进给量和较高的切削速度下又容易发生局部过热引起的变形、焦化等现象。因此为了提高聚四氟乙烯材料的加工质量及加工精度,在保证一定加工效率的前提下,应尽量选取较小的切削量和较低的切削速度。

(4)其他措施

聚四氟乙烯材料在切削加工过程中,由于工件材质较软,在较大的夹持力下,工件容易发生变形,影响加工精度,因此其夹持力不易过大。与此同时,聚四氟乙烯工件在切削加工时需要及时进行去屑工作,通过增加断屑槽等措施,使切屑能及时排出。

2.聚四氟乙烯在常见切削加工过程中出现的问题及改善措施

2.1 聚四氟乙烯车削加工

氟乙烯材聚四料在车削加工时,外径尺寸和内、外圆椭圆度以及内外圆锥度的变化较大,且没有规律。因此在车削加工过程中,工件在粗加工时,前角应取大些,从而降低切削力,防止工件产生弹性变形;精加工时,可取较小的前角,改善刀具散热条件,降低切削温度。

2.2 聚四氟乙烯钻削加工

聚四氟乙烯材料在钻削加工时,最大的问题在于如何及时的去屑。通常情况下,可采取以下措施:

(1)使用小螺旋角和具有容屑槽的钻头,利于切屑排除;

(2)尽量降低钻头转速,在保证钻削效率的前提下选取较低的进给量,同时采用多次退刀的方式保证及时去屑,从而提高钻削加工的表面质量和加工精度。

一般钻头刃磨后的螺旋角约为10o~15o,后角为9o~20o,钻头锥角为60o~120o,采用的钻速不仅与被钻材料有关,而且与钻孔的大小和钻孔深度有关,一般手电钻钻速为900r/min时效果最佳,而固定式台钻则在转速为2100r/min和进给量为1.3mm/s时效果最佳。[3]

2.3 聚四氟乙烯铣削加工

聚四氟乙烯材料在进行铣削加工时,铣刀的前角应比铣削金属的前角大些,铣削的前角应大于6o(一般在6o~15o)。铣刀的后角同样应比铣削金属时的后角大,后角应大于10o(一般在15o~30o)。铣削加工时的切削速度应控制在(180-300)mm/min范围内,进刀量采用(0.05-0.13)mm/r,吃刀量约为0.1mm/s,表面粗糙度值随进给量减小而降低。在生产中建议采用侧铣法,可避免工件烧伤。此外聚四氟乙烯材料在粗加工时,应选择强度高、制造简单的直线齿背式铣刀;进行精加工时应选择强度较小,但容屑空间大的折线齿背式铣刀。

3.总结

综上所述,聚四氟乙烯具有强度低、硬度小、热传导性较差、热膨胀系数高等特性。聚四氟乙烯材料在切削加工时,应根据工件材料的性能及加工条件、加工质量要求,选择合适的刀具、确定合理的切削参数,考虑适当的加工余量,并供给充足冷却装置(一般用压缩空气进行风冷),均可获得具有较高加工质量和加工精度。

参考文献

[1]鲍秀森.聚四氟乙烯的切削加工[J].1999(5).

[2]杜兰萍.塑料的切削加工[J].机械工程师,1999(10).

[3]赵祖虎.复合材料的加工技术简介[J].航天返回与遥感,1997(01).

作者简介:

蒋丽飞(1961—),女,陕西西安人,工程师,主要从事机械加工质量管理工作。

肖雅文(1986—),女,陕西宝鸡人,助理工程师,主要从事机械加工质量管理工作。

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