1 序言
碳纖維加強型PEEK材料在加入碳纖維后有效提高了材料耐磨性及力學(xué)性能，是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料。其中PEEK5600CF30材料的高耐磨性、突出的力學(xué)性能使其在氣密密封、支撐定位的零部件中得到廣泛應(yīng)用。在車削加工PEEK5600CF30材料時也遇到了較大的問題，例如刀具磨損較快、加工效率低，在加工高精度尺寸時，刀具補償值變化較大，加工精度不易保證。PCD（聚晶金剛石）刀具材質(zhì)具備顆粒結(jié)合緊密、不易破損及耐磨性高等優(yōu)點，作為車削刀具，前后角均可達較大值，切削力較小，適用于非金屬材料的加工[1-3]。
2 零件的結(jié)構(gòu)特征及加工問題
筆者單位車削加工的彈射掛彈鉤減磨環(huán)材質(zhì)為碳纖維加強型工程塑料PEEK5600CF30，零件壁厚為1mm，內(nèi)孔及外圓表面粗糙度值Ra為1.6μm，外圓直徑為30～55mm，長度為1～10mm，零件結(jié)構(gòu)和三維立體圖如圖1、圖2所示。
圖1 減磨環(huán)結(jié)構(gòu)
圖2 減磨環(huán)三維立體圖
加工PEEK特種工程塑料目前主要面臨三大問題：一是采用硬質(zhì)合金刀具加工，刀具壽命極差；二是加工過程中無法有效保證零件的尺寸精度和表面粗糙度，質(zhì)量穩(wěn)定性差；三是車削加工效率低，切削參數(shù)需要優(yōu)化[4，5]。
3 解決方案
3.1 PCD刀具
一般的PCD刀具由金屬刀具、PCD貼片及粘結(jié)層三部分組成。圖3為典型的PCD刀片結(jié)構(gòu)示意圖，硬質(zhì)合金金屬基體與PCD貼片之間靠粘結(jié)層連接。
圖3 PCD刀具
PCD刀具質(zhì)量主要由PCD貼片的磨削質(zhì)量及PCD貼片的材質(zhì)質(zhì)量決定。目前國內(nèi)主要的PCD刀具廠商已能實現(xiàn)PCD材料的國產(chǎn)化及精密加工。因此國產(chǎn)PCD刀具的價格已從20世紀90年代的高不可攀下降到基本與高品質(zhì)硬質(zhì)合金相差無幾。但是與進口PCD刀具相比，國產(chǎn)PCD刀具仍存在一些不足，例如質(zhì)量不穩(wěn)定，使用壽命較短等。一些國產(chǎn)PCD刀具使用的材料為進口材料，受制于國內(nèi)加工水平，其刃口處理工藝仍與國外存在差距。按照組成材料的金剛石顆粒大小將常用到的PCD材料分為20、30及30M等級別。顆粒度越大，材料標號越大。與硬質(zhì)合金顆粒度大小相似，較大的顆粒度耐磨性較好，適合加工硬度較大材料。
3.2 刀具的選擇
以PEEK5600CF30材料的典型零件彈射掛彈鉤減磨環(huán)加工為試驗對象，分別使用硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具進行加工，觀察兩者磨損的區(qū)別及磨損值變化，并對兩者加工參數(shù)進行對比。刀片材質(zhì)、加工設(shè)備及加工零件數(shù)量見表1。
表1 刀片材質(zhì)、加工設(shè)備及加工零件數(shù)量
硬質(zhì)合金刀片加工過程中易發(fā)生前刀面月牙洼磨損、后刀面磨損及溝槽磨損。在刀具磨損初步階段，刃口因碳纖維擠壓作用易發(fā)生崩裂；前刀面涂層在碳纖維材料摩擦下迅速破損，刀片基體發(fā)生快速磨損，造成刃口強度進一步降低，切削刃破損加?。辉趧×夷p階段，刀具后刀面磨損嚴重，刀尖圓弧形狀破損（見圖4），造成零件加工精度下降，翻邊、毛刺現(xiàn)象嚴重，表面質(zhì)量無法保證。
圖4 刀尖圓弧形狀破損
圖4所示刀片使用OLYMPUS高倍電子顯微鏡測得的刀尖圓弧半徑值為0.34mm，未使用的刀片刀尖半徑為0.4mm，差值說明理論刀尖位置的偏差為－0.06mm。當(dāng)按照第一件零件加工時測得的刀尖位置加工，意味著零件加工輪廓誤差+0.06mm。對比減磨環(huán)零件壁厚公差
mm，此種公差足以使零件報廢。
采用PCD聚晶金剛石刀具后，刀具磨損情況得到有效改善，在同樣的加工時間及切削條件下，刀片僅前刀面發(fā)生低程度磨損，刃口基本完整，刀尖圓弧形狀保持較高精度（見圖5），零件加工精度得到較大改善。
圖5 刀尖圓弧形狀保持較高精度
圖5所示為刀片使用OLYMPUS高倍電子顯微鏡測得的刀尖圓弧半徑值為0.385mm，未使用的刀片刀尖半徑為0.4mm，差值說明理論刀尖位置的偏差為－0.015mm。當(dāng)按照第一件零件加工時測得的刀尖位置進行加工，意味著零件加工輪廓誤差為+0.015mm。對比減磨環(huán)零件壁厚公差
mm，此時零件依舊合格。
通過此項試驗可以得出結(jié)論：硬質(zhì)合金刀片不適合車削PEEK5600CF30材料，PCD刀具適合車削PEEK5600CF30材料，采用20級別的PCD刀具即可滿足需要。實際加工中選用的外圓PCD車刀如圖6所示。
圖6 外圓PCD車刀
3.3 加工尺寸精度誤差分析
（1）刀具切削力對減磨環(huán)加工的影響 零件加工過程中如數(shù)控程序按減磨環(huán)零件正常尺寸編制，發(fā)現(xiàn)加工后內(nèi)孔形狀及外圓形狀帶有錐度：在10～12mm長度上，零件內(nèi)孔變化量為0.04～0.05mm，外圓變化量為0.01～0.03mm。內(nèi)孔及外圓形狀如圖7所示。
a）零件加工后理論狀態(tài) b）零件加工后實際狀態(tài)
圖7 內(nèi)孔及外圓形狀
分析原因為零件口部剛性較低，在刀具切入過程中發(fā)生讓刀現(xiàn)象。經(jīng)加工調(diào)試，將零件加工后錐度在數(shù)控程序中補償，較好地保證加工精度。經(jīng)過零件試加工，內(nèi)孔口讓刀量與零件軸向長度存在直接聯(lián)系。軸向尺寸增加，孔口變形量加大。在編程過程中將錐度補償后，能有效提高零件加工精度。
（2）刀具磨損對零件加工尺寸精度和表面質(zhì)量的影響 以加工減磨環(huán)零件為例，經(jīng)過現(xiàn)場驗證的情況如下：在加工400件后由于刀具磨損劇烈，如繼續(xù)使用，建議每加工50件調(diào)整一次刀補值及錐度，每次調(diào)整直徑值0.02mm。加工條件為：使用CTX310數(shù)控機床，加工PEEK5600CF30棒料，刀具為某國產(chǎn)PCD內(nèi)孔鏜刀。加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，進給量0.06mm/r，精車加工余量0.05mm，700～800件后不建議繼續(xù)使用，強制換刀。進行這種操作的原因為刀具磨損造成切削力變大，進而影響到零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，必須及時調(diào)整刀具刀補值與數(shù)控程序才能保證零件加工合格率。
3.4 切削參數(shù)
表2為推薦使用的PCD刀具牌號及對應(yīng)的切削參數(shù)。此參數(shù)的使用條件：加工機床為CTX310數(shù)控車床，零件壁厚值≥1mm，加工外圓直徑30～50mm。此外注意上述所使用PCD刀片的生產(chǎn)廠家為SECO （山高），其余品牌的刀具參數(shù)可在此基礎(chǔ)上微調(diào)。
表2 推薦使用的PCD刀具牌號及對應(yīng)的切削參數(shù)
4 結(jié)束語
經(jīng)過對PEEK工程塑料車削加工性能的研究與應(yīng)用，PEEK5600CF30材料的車削加工效率和質(zhì)量都得到有效提高。
