非金属材料3204环氧玻璃布板车削加工技术研究

张剑利，李贵锋，王战备，李凤侠

(西安航空制动科技有限公司，陕西 兴平 713106)

非金属材料在制造业中得到了广泛应用，但大多数非金属材料的强度及加工性能较差。本研究加工的零件材料为非金属材料3204环氧玻璃布板，材质为玻璃纤维，具有较高机械和介电性能，耐热性、耐潮性好，适用于机械、电气及电子等高绝缘结构零部件。该零件材质利用耐高温性好的特点，主要用于隔热，防止热传导和热辐射作用于其他零件，对其他零件的性能产生影响。

1 零件分析

图1 技术要求Fig.1 Technical requirements

2 零件材料分析

零件材料为3240环氧玻璃布板，主要成分SiO2。该材料由电工玻璃布(用无碱、铝硼硅酸盐的玻璃纤维制成)浸以环氧树脂(环氧树脂具有较好的黏结强度和耐化学性能)经烘干、热压而成。材料表面平整光滑，无皱纹和裂纹。机加过程中，材料强度低，抵抗外力变形能力差，在夹紧力和切削抗力的作用下工件容易发生变形，影响工件尺寸精度，造成圆度超差。目前，使用量较多的布板厚度范围为3～30 mm，对以往加工的布板进行综合分析，厚度在10 mm以内的较薄布板加工表面光滑清晰(见图2)，表面粗糙度容易保证，不易产生端面撕裂、鼓包状况；厚度在10 mm以上的零件，厚度越大，端面撕裂情况越明显。

图2 较薄布板Fig.2 Thin cloth board

经目测，热压的玻璃纤维电工玻璃布层厚小于0.2 mm。经现场加工验证，较厚的布板强度越低，抵抗外力变形能力越差，组织较疏松，切削加工难度较大，实际加工效果见图3。

图3 较厚布板加工效果Fig.3 Thicker cloth plate processing effect

3 加工中存在的问题及原因分析

3.1 零件精度和表面质量

毛坯规格200×200×δ25，零件结构为环状。加工过程中，零件变形量较大，尺寸精度和形位精度难以保证，零件端面存在片状撕裂和局部鼓包，不能满足图纸要求。

3.2 切削温度对刀具的影响

环氧玻璃布板在切削加工中，考虑到切削粉末对冷却系统的污染，一般不采用冷却液冷却。而使用风冷方式会对空气造成污染，一般也不建议采用。常用的方式是降低切削速度，以降低切削热的产生。由于材料的热导性差，刀具散热困难，一般采用较低速度切削，当切削速度稍高时，会产生大量的切屑热，刀具和加工工件的接触区域的温度迅速升高，刀具产生氧化磨损，进而进入急剧磨损阶段，当刀具的前后刀面同时磨损时，则失去了切削能力。

实际生产中，对刀具的冷却十分必要。低速切削时，加工效率低下，对于单件、小批量可采用低速切削，但对于批量加工则会造成较高的加工成本，降低设备利用率。较大批量加工时，建议采用水溶性切削液，能够提升加工效率，且对零件加工精度和表面质量具有良好的改善作用。

环氧玻璃布板具有较好的耐潮性和优良的低吸水率，吸水率几乎为0。浸水24 h后，吸水率仅为0.09%，故冷却液的使用对零件材料的影响较小，必要时可采用干燥压缩空气清理零件表面水分。

选择冷却效果较好的水(溶液)切屑液，切削液的浓度范围控制在3%以下，能有效降低切削区刀具、工件温度，改善刀具与工件的摩擦，改善切削区温度，便于排屑，从而提高刀具的使用寿命和加工表面质量。

车削加工中，因材料的自身结构特性，会产生大量的飞沫状切屑，污染设备和切削液，令冷却系统产生堵塞，故应使用过滤纸对切削液进行净化处理，零件加工完后需更换切削液并保养设备。

3.3 原加工工艺流程

5工序粗车圆环→10工序半精镗孔→15工序车端面→20精车外圆→25工序精镗孔→30工序检验。

15工序车端面，装夹方式及切削方向见图4，刀具采用55°菱形刀片，刀尖R0.2。

图4 进给示意图Fig.4 Schematic diagram of feed

通过加工验证，零件内孔、外圆尺寸精度超差，同轴度超差，变形量约为0.2 mm，零件两侧端面呈片状撕裂，局部有鼓包现象。

3.4 原因分析与加工难点

由于零件材料组织结构疏松，强度低，抵抗外力变形能力差。在夹紧力和切削抗力的作用下，工件发生变形，影响工件尺寸精度，造成圆度超差。工艺流程安排不当，25工序以外圆定位，零件装夹时，在夹紧力的作用下产生弹性变形。零件拆卸后，零件产生弹性恢复，内孔圆柱度误差较大。在装夹方式上，采用外圆定位，跳动量不易控制，影响外圆相对内孔的同轴度。选用刀具不当，刀具的几何角度不合理，产生的切削分力影响切削力的方向，使得零件端面呈撕裂状。

零件材料组织疏松，目测布板层厚约为0.2 mm，零件总长尺寸公差为±0.05 mm，需要对0.2 mm的层厚采用机械加工方法进行剥离，每次厚度小于0.2 mm。材料制造过程中，由于是多层压制而成，随着层厚的增加，每层平行度存在误差，会出现单层透面现象，局部会产生环状、椭圆状及不规则缺陷，影响零件的表面粗糙度。

4 实施工艺验证

通过原因分析，改善工艺流程，选用几何角度合理的刀具，改善切削受力方向，具体措施如下：

4.1 改进措施

零件端面存在片状撕裂和局部鼓包问题。机械加工中，正确选用刀具角度及角度大小尤为重要。刀具和车刀刃磨技术在机械加工中占有重要地位，而刀具切削性能的好坏主要取决于制造刀具材料、刀具的结构、刀具切削部分的几何参数，当材料和刀具结构确定后，刀具切削部分的几何参数对切削性能的影响就十分重要。手工刃磨刀具见图5，刀具选择普通焊接刀具，硬质合合金选用耐磨性较好的YG8材质，经反复验证，刀具的几何角度主偏角、副偏角为30°～40°，前角20°～30°，前角形式为圆弧型，主后角、副后角20°，刀具过渡刃采用圆弧过渡刃，R约2～3，保证刀具耐磨且锋利，圆弧过渡刃对零件表面起到修光作用。手工刀具的刃磨中鐾刀格外重要，能够提高刀具寿命和零件加工质量，对零件表面光洁度的改善至关重要。现代机械加工中，数控刀具的广泛使用，使得传统手磨刀具已很少采用，但传统的手工磨刀灵活方便，刀具轻微磨损后，可采用鐾刀予以修复，恢复刀具原有的几何形状和刃口的锋利程度，故传统的磨刀技艺应继续传承下去。本研究采用手工刃磨刀具，解决零件表面的鼓包和片状撕裂问题，通过合理选择刀具的几何角度，刃磨出异形刀具，改变切削受力方向。

图5 手工刃磨刀具Fig.5 Manual sharpened knives

4.2 刀具几何角度的选择

手工刃磨刀具关键角度的选择思路：前角主要影响切削力的大小，加大前角可减小切削力，从而减小动力消耗，降低切削温度，减小刀具磨损，降低加工成本。后角的大小不同，将影响后刀面的倾斜程度，直接影响刀具的强度及刃口的锋利程度，进而影响加工表面质量。在前角一定的情况下，想减小刀具的刃口圆弧半径，提高刀具的锋利程度，只能通过增大后角来获得。当前角、后角增大时，楔角减小，刃口圆弧减小，刀具锋利程度提高。主偏角是确定主刀刃相对于进给运动方向偏斜程度的角度，主要影响切削层截面的形状和参数，影响切削分力的变化、刀尖强度、刀具耐用度等。主偏角刃磨的大小是重要的几何参数，依据切削厚度的计算公式可知，当进给量一定时，切削厚度随着主偏角的变化而变化，主偏角减小，切削厚度减小。可通过改善主偏角的角度，影响切削层的厚度，改变切削的受力方向，避免片状撕裂。副偏角是副刀刃相对于背进给方向倾斜程度的角度，副刀刃配合主刀刃完成切除金属层，形成工件的已加工表面，对工件的表面粗糙度影响较为明显。副偏角的选择等于主偏角，便于刀具往复车削，根据进给方向的变化，实现主副偏角之间相互转化。刀尖的修磨形式选用圆弧刃刀尖结构，利用圆弧刀刃去连接主刀刃和副刀刃。刀尖圆弧上各点的主偏角、副偏角都小于直线刀刃的主偏角、副偏角，使得刀尖角增加，从而改善刀尖的散热条件，提高刀尖强度，可进一步改善鼓包和撕裂问题。

4.3 零件内孔、外圆尺寸精度，圆度、同轴度0.05 mm的解决措施

A.增加17工序半精车外圆，为后工序修正基准外圆，保证外圆的圆柱度，圆度误差控制在0.05 mm以内,满足后续定位要求，减少或消除由于定位基准不良而产生的内孔变形问题。

B.增加19工序精车内孔，本工序加工内容为精镗孔、平端面，以外圆为基准，精镗内孔至尺寸，保证总长尺寸，精加工断面的进刀方向(见图6)。

图6 精加工进刀方向Fig.6 Finishing feed direction

C.20工序精车外圆，以内孔定位，实配心轴，心轴可采用涨力心轴，以保证定位精度。精车外圆至尺寸，利用加工方法保证25工序的同轴度0.05 mm的技术要求。

4.2 优化后加工工艺流程及改善后的加工效果

5工序粗车圆环→10工序粗镗孔→15工序车端面→增17工序半精车外圆→增19工序精车内孔→20精车外圆→30工序检验。

改善后的零件加工效果见图7。经检查，尺寸精度、形位公差和表面粗糙度均满足图纸设计要求。

图7 零件加工效果Fig.7 Part processing effect

5 结语

为实现不同的功能要求，非金属材料的应用越来越多，但多样化的材料在实际生产中的选用使得机械加工难度不断增加。对于初次接触的新材料，应掌握材料特性，通过不断试制摸索，制定合理的加工方案。

本研究对问题原因进行深入分析，经过工艺优化和刀具合理的刃磨、改变切削受力方向，有效改善了零件表面的撕裂状况，保证了零件表面质量、尺寸精度及形位公差要求，为加工低强度非金属材料提供了新思路。