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有机玻璃零件的数控加工

2019年01月09日 17:21:32 葡京娱乐场官网网址:网络

一、有机玻璃零件加工难点

有机玻璃学名为聚甲基丙烯酸甲酯,具有较好的透光性和化学稳定性,耐酸碱,且尺寸稳定、易于成形,所以在航空航天、化工和医疗等领域都有广泛应用。在实际生产应用中,有机玻璃制品零件大多可以直接浇铸成型,但有些形状特殊、尺寸精度和表面粗糙度要求较高的零件,往往需要进行机械加工。但有机玻璃材料与金属材料的机械性能有较大差异,其质地较脆,具有缺口敏感性,在应力作用下易开裂。

图1所示零件量杯是典型的有机玻璃零件,且为中空薄壁结构。其尺寸精度要求较高,技术要求加工后保持材质原有透光度,满足测量量程的需求。该零件采用数控车床进行加工时虽易于成形,但工艺参数和工序选择不当时,极易出现裂纹等缺陷,致使零件报废。另外,其表面处理方法的选择尤为关键,操作不当时,表面呈撕裂状,容易“擦毛”,失去有机玻璃原有的透明性,无法满足技术要求。

数控加工

图1

二、零件加工的影响因素分析

(1)切削热对有机玻璃加工的影响较大,主要表现在以下两方面:①由于有机玻璃的导热性很差,导热系数仅为普通金属材料的1/450~1/175,所以切削加工中产生的切削热无法快速地散发,热量积累在刀具与工件的接触部位,导致刀具磨损加剧。同时有机玻璃的热膨胀系数比一般金属要大1.5~2倍,玻璃化温度大致为100℃左右,过高的切削热使有机玻璃体积发生变化和玻璃化,使加工精度下降,无法达到加工要求。同时有机玻璃的体积膨胀又加剧了刀具与工件的摩擦,引起切削热进一步升高,形成恶性循环。②由于有机玻璃的熔点较低,只有160~200℃,属于热塑性材料。切削加工中过高的切削热极易使加工表面产生熔结现象。具体表现为零件加工内孔时,散热条件较差,表面容易“擦毛”,呈现出细小的撕裂纹,误以为加工时材料质脆导致的细小裂纹或材料本身的内部缺陷,但透光或渗水检查时,均无泄露,零件的透明度无法达到技术要求,加工成形后工件表面发污,远没有零件材质本身的质感。

(2)加工参数对有机玻璃加工的影响。有机玻璃常温下属于硬而脆的材料,而该零件具有薄壁结构,切削加工过程中,因切削参数选择不当导致切削力不稳定,从而导致零件产生裂纹,甚至崩裂。

(3)有机玻璃切削加工后表面粗糙度较差。因为有机玻璃的硬度较小,切削加工后的表面粗糙度较差。切削加工后的零件为了保证技术要求,需采用特殊抛光材料及工艺才能实现。

三、原加工工艺的不足

图1所示零部件正常加工工步为:一次装夹加工外圆,掉头装夹偏端面,加工止口槽及内孔。

按该工步进行加工时,外圆的尺寸精度及表面粗糙度易保证,可以选择较高的切削速度,为1800~2000r/min,且进给量为0.08~0.30mm/r。但是有两个不足之处:①加工内孔时,发现不论如何调整钻孔时的进给量,且保证充足的冷却时,外圆表面均不同程度地呈现出毛边,尝试抛光后,表面发污,无法满足技术要求中的透明度。经分析,该零件内孔深达135mm,加工内孔时,受切削条件的限制,切削热无法快速散发,即使保证充足的切削液,还是无法形成有效的流动循环,造成切削热积累,加上材料本身的特性,其质地较脆,属热塑性塑料,遇热后即软化,遇冷后又凝固坚硬,最终切削温度控制不当导致局部区域软化变形和脆裂,造成外表粗糙,无法再次处理。②外圆成形后加工内孔的另一个弊端,是因切削深度过大,切削力过大。而此时的零件外圆已加工完毕,加工内孔形成薄壁结构时,无法承受过大的切削力而容易导致出现裂纹或崩裂。

四、改进后的加工工艺

为了保证零件的尺寸精度、表面粗糙度及技术要求,提高零件的加工合格率,尝试着在加工零件端面和端面止口槽后,先加工内孔,为避免材料本身的弹性回弹,控制钻削进给量为0.05~0.08mm,同时严格控制切削液浇注的速率和跟随性,确保钻孔加工时切削温度的一致性。内孔加工完毕后,使用止口定位辅助工装,如图2所示,利用顶尖顶住止口定位工装的辅助中心孔,保证外圆加工时的轴向限位。先加工轴外径φ50mm后,利用切刀加工偏刀的避让空间,然后直接一次加工成形φ20mm外径尺寸,完成零件的切削加工。

数控加工

图2

变更加工工序后,发现零件表面不存在细微脆裂纹,且无因切削温度控制不当造成软化变形、材料涂抹混乱现象,但表面发污,无透光感,没有有机玻璃原有的透明度,无法满足零件的技术要求,还需要进一步进行抛光处理。

五、零件抛光工艺

先将零件利用水砂纸打磨,将零件表面的加工刀纹和划痕磨平,但表面呈雾化状,无法实现透明度的技术要求。经过几种研磨材料对比后,最终采用软绸布混涂牙膏的抛光方式,因零件内孔孔径小,将家中使用的竹筷从中间劈开,缠绕软绸布,将牙膏和水按一定比例混合调匀后作为研磨剂,调节适当的车速,沿径向均匀延伸至内孔端面,加工后表面无车削加工痕迹,晶莹剔透,实现了零件的透明度需求。完成的零件如图2所示。

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