摘要：本文针对PEEK薄壁套筒进行内孔车削加工和R槽铣削加工，从PEEK复合材料的加工特性，套筒的薄壁结构出发，对套筒的加工装夹方式和R槽铣削方式进行探讨，摸索出了有效控制该工件加工变形和提高表面质量的方法。
关键词：PEEK；薄壁件；套筒；变形控制
1前言
PEEK聚合物是一种线性芳香族半结晶态热塑性材料，被公认是目前可使用传统热塑设备加工的材料中性能最好的。因其具有优良的机械性能、高温性能、耐磨损性、耐化学腐蚀性能、抗水解性能、耐蠕变、抗辐射、抗疲劳以及自润滑等特性，在航空航天、机械、电子信息、能源、汽车、家电、医疗卫生等高新技术领域中得到了广泛应用【1-2】。PEEK常见的成型方式有注射成型、挤出成型、压塑、吹塑成型和熔融纺丝等成型方式，但成型后的零件精度往往达不到要求，所以多数情况下需要进行一定的机械加工来满足使用和装配要求。
但因PEEK材料其物理、机械性能与金属材料有着较大的差异，其切削机理也有较大的不同，在机械加工中容易产生撕裂、收缩、起毛等缺陷，刀具磨损很快，零件极易变形、表面质量和尺寸精度差等现象【3】。本文通过专用装夹工装的使用、优化铣削方案对PEEK薄壁套筒的加工变形进行控制研究。
2 PEEK薄壁套筒加工变形分析
套筒材质为PEEK450FC30，其结构简图如图1所示。该套筒的内孔尺寸为φ80H8（+0.046,0），其壁厚最薄处仅为7mm，刚性较差，为典型的薄壁零件。
图1 套筒结构简图
在车削套筒内外圆时，套筒的刚性较差，加之PEEK材料强度较低，回弹性强，尺寸精度不易控制。车削加工时，若车刀和夹具对它施加压力过大，会引起较大的弹性变形，影响套筒的加工精度。因而该类薄壁塑件的夹紧力不可过大，这就要在加工时避免卡盘装夹带来的弊端，增强套筒的刚性。因套筒毛坯单边余量较少，只有在套筒车削加工中必须采取特殊的装夹方式以减小装夹和加工的变形量，保证套筒的加工精度。
套筒内孔上R6.5mm圆槽铣削加工时，因深度达90mm，长径比近7倍，铣削时极易造成让刀，使得工件的尺寸超差。同时，由于含有纤维增强相的PEEK材料，其切削过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，通过前人的研究发现纤维方向对切边、表面粗糙度和切削力都有影响。这就必须通过优化铣削时的走刀方式，来满足工件的尺寸和粗糙度的要求。
3套筒加工变形控制
3.1内孔车削变形控制
采用硬质合金车刀，切深0.1mm，进给量0.1mm/r，转速500r/min，卡盘装夹位置均为无台阶圆一侧，分别在无工装、开口衬套工装和专用装夹工装的情况下进行了内孔车削。专用装夹工装与套筒外圆为小间隙配合，通过控制工装自身精度来保证工件的精度要求。开口衬套工装和专用装夹工装简图如图2、3所示。
图2 开口衬套工装
图3 专用工装
通过上述3种装夹方式车削内孔后，用内径千分尺对内孔尺寸进行测量，内孔尺寸如表1所示。
表1 车削内孔尺寸表
据上表中内孔尺寸数据所示，在没有采用任何装夹工装的情况下，内孔锥度较大，两端尺寸差达0.11mm，变形严重。在采用开口衬套工装的情况下，内孔锥度和两端尺寸差都有所减小。采用专用装夹工装后的内孔变形很小，变形量均在0.04mm以内。
通过上述内孔变形情况的分析，可以看出此类PEEK薄壁套筒的内孔变形趋势均呈锥度变化，这与车削时采用的工件装夹方式有极大的关联，专用装夹工装的刚性好于开口衬套工装，说明通过工装增强工件的刚性越好，装夹时的变形量越小，加工出的尺寸精度也就越高。
3.2 R槽铣削变形控制
在铣削套筒内孔上R槽时，仍然使用车削内孔时的专用装夹工装，先后采用了两种铣削方式，分层铣削和螺旋铣削，切削参数和铣削完成后的尺寸如表2所示。
表2 分层铣削和螺旋铣削参数、尺寸对比表
据上表中测量尺寸所示，采用分层铣削方式R槽两端尺寸差达1mm，铣削过程中让刀严重，尺寸精度差，刀花严重。铣削方式更改为螺旋铣削后，两端尺寸一致，没有出现让刀变形的情况，且表面质量较好。
PEEK材质的切削过程中，对增强纤维的切断破坏方式及角度都对切削力和表面粗糙度都有较大的影响。而在R槽铣削时的让刀可以通过优化铣削方式来避免。表面质量加工的好坏则需要先了解PEEK材质中的增强纤维的取向，这对加工前对PEEK材料的了解提出了更高的要求。
4、结束语
PEEK薄壁套筒因其材料和结构特点，导致在机械加工过程中极易产生变形和表面质量较差的现象。通过对该套筒的内孔车削加工和R槽铣削加工，可以看出薄壁塑件因其自身的材料特性、结构刚性差等问题，增加了工件加工的难度，只有采用辅助装夹工装增强其刚性，减小装夹加工变形，而切削方向采用与纤维方向平行的方式得到更好的表面质量。
参考文献
[1]于建明，边栋材，周晓峰. 聚醚醚酮（PEEK）纤维牵伸工艺研究[J]. 天津纺织工学院学报，1996，Vol15 No.1:23-27.
[2]林有希，高诚辉，陈志华. 短纤维增强PEEK复合材料钻削表面质量研究[J].航空制造技术，2008，6：76-78.
[3]赵全增.浅谈工程塑料的工艺性与切削加工[J]. 技术与市场，2012,19（6）：220.
论文作者:罗飞侠,李静怡,彭熙熙,崔志国
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：套筒论文; 工装论文; 加工论文; 薄壁论文; 尺寸论文; 方式论文; 工件论文; 《基层建设》2019年第26期论文;