聚四氟乙烯微小零件的高精度铣削加工方法

郭秀亮，孙广宇，孟春江，翟燕燕

天津航天机电设备研究所 天津 300458

1 序言

聚四氟乙烯支撑介质是微带类卫星平台天线中用于支撑带线的关键零件，由于支撑介质的加工精度直接影响带线的装配精度，进而影响装配后带线的平面度，从而对天线的增益方向图等电性能指标有着直接的影响，因而研究聚四氟乙烯支撑介质的铣削加工技术对整个微带天线具有重大意义。下面介绍一种通过选择合适的刀具、切削参数，采用一次装夹，预留工艺梁，施加辅助支撑等方式提高零件加工质量的方法。

2 加工难点分析

1）零件整体尺寸小、精度高。聚四氟乙烯支撑介质结构尺寸如图1 所示。支撑介质为4.2mm×4.2mm的L形异形零件，最薄部分仅为0.36mm，零件最小公差要求仅为0.02mm。切削过程中，当切削力超过材料所能承受的极限时，工件发生振颤，继续加工会导致工件报废。零件的异形、小尺寸和高精度给装夹和铣削过程带来了很大的困难。

图1 聚四氟乙烯支撑介质结构尺寸

2）材料刚度低、易变形。支撑介质的材料为聚四氟乙烯SFB-2，其特点是白色、无臭、无味，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化性，但同时该材料具有弹性模量大、刚度低，抗拉强度低以及热膨胀系数高等缺点[1]。加工时若采用不当的装夹方式，会导致零件发生很大的变形，甚至压溃；若采用不当的铣削方式，会导致零件让刀严重，尺寸严重超差；若选用的刀具和切削参数不合适，会导致加工材料热变形严重。聚四氟乙烯SFB-2材料的物理性能[2]见表1。

表1 聚四氟乙烯SFB-2材料的物理性能

3 加工方案

针对支撑介质尺寸小、精度高、刚度低及受热易变形的特点，从装夹方式、合理选用刀具和切削参数、提高加工结构刚度、合理安排加工工序四方面提出加工方案。

3.1 装夹方式

由于零件结构薄弱，强度低、刚度低，二次装夹必然会导致零件变形、报废，因此采用一次装夹的方式加工零件，聚四氟乙烯支撑介质装夹如图2所示。使用聚四氟乙烯SFB-2棒料加工支撑介质，棒料一段装夹在自定心卡盘上，通过转动卡盘铣削端部待加工部位。在此装夹方式的条件下，装夹力施加在聚四氟乙烯柱段部位，不会导致待加工部位发生变形，可以避免装夹变形导致的零件尺寸超差。同时在该装夹方式下，零件加工完成后从柱段上铣削脱离，一次加工成形，避免零件拆卸后二次装夹导致零件报废。

图2 聚四氟乙烯支撑介质装夹

3.2 刀具与切削参数选择

聚四氟乙烯零件一般采用大前角、大螺旋升角刀具加工。较大的前角和螺旋角使刀具更加锋利，减小切削力造成的工件变形，同时减小切削热造成的聚四氟乙烯尺寸膨胀。刀具转速一般控制在3000～5000r/min，进给速度控制在300～800mm/min。刀具转速和进给速度的匹配可以减少切削热和切削力，从而减小零件余量切除后的应力，减小工件的变形[3]。刀具参数见表2，切削参数见表3。

表2 刀具参数

表3 切削参数

3.3 提高加工刚度

由于聚四氟乙烯材料弹性模量大、刚度低，因此铣削过程中预留工艺筋，以减小一次切削面积，增强2.2mm槽的加工刚度，保证槽宽尺寸2.2+0.02+0mm和厚度尺寸（0.36±0.02）mm满足要求。图3所示为设计工艺筋以提高加工刚度。

图3 设计工艺筋以提高加工刚度

为提高加工刚度，在待加工工件底部粘接金属片（见图4）作为辅助支撑。金属片与棒料粘接在一起，提高了待加工部位的刚度，减小了切削力造成的变形，提高了零件的加工精度。

图4 在待加工工件底部粘接金属片

3.4 合理安排加工工序

支撑介质为L形异形零件，使用加工中心进行加工。零件外轮廓尺寸为4.2mm×4.2mm×1mm，选用φ10mm聚四氟乙烯棒料作为毛坯进行加工，具体工序内容如下。

1）将棒料毛坯使用自定心卡盘定位夹紧，在棒料末端用铣刀加工4.2mm×4.2mm×6mm凸台（见图5）。

2）使用φ1.5mm立铣刀加工工件厚度1mm尺寸（见图6），L外形暂不加工，并留有图3所示工艺筋。

图6 使用φ1.5mm立铣刀加工工件厚度1mm尺寸

3）铣刀加工宽2.2+0.02+0mm槽（见图7），保证零件厚度（0.36±0.02）mm。

图7 铣刀加工宽2.2+0.02+0 mm槽

4）工件底部使用502胶粘接金属片，以提高加工刚度。加工零件L外形（见图8），切削3.2mm×3.2mm余料。

图8 加工零件L外形

5）将零件从聚四氟乙烯棒料上切断（见图9）。

图9 将零件从聚四氟乙烯棒料上切断

6）零件去除毛刺、倒钝（见图10）。

图10 零件去除毛刺、倒钝

按照此加工工序铣削零件，充分利用了毛坯余量作为工艺梁，提高了工件切削刚度，解决了支撑介质的加工难题。

4 结果及效益分析

通过一次装夹，安排合理的加工工序，增加工艺梁和粘接辅助金属片支撑的方式实现了支撑介质零件的生产，加工出的支撑介质实物（见图11）完全满足图样要求，为使用该零件进行装配的S波段四臂螺旋测控天线、双极化收发共用天线的性能可靠性提供了强有力的支持。该两种天线每年创造900万元左右的效益，具有可观的经济价值。

图11 支撑介质实物

5 结束语

针对小尺寸、低刚度和高精度聚四氟乙烯支撑介质零件的加工特征，采用一次装夹、设计工艺梁结构及增加辅助支撑的方式，实现了零件的高质量、高合格率加工。该加工方法具有很好的推广应用价值，对于同类的异形聚四氟乙烯零件加工很有借鉴意义。

专家点评

本例中的聚四氟乙烯支撑介质为L形小尺寸异形零件，最薄部分仅为0.36mm，具有加工精度高，材料刚度低，装夹、铣削过程变形量大的加工难点，给装夹和铣削过程带来了很大困难。通过选择合适的刀具和切削参数，采用一次装夹，预留工艺梁，粘接辅助金属片支撑等方法提高工艺刚度，减少切削热，克服加工难点，有效提高了零件加工质量。文章构思新颖、方法巧妙，通过合理安排毛坯、夹具和加工顺序，充分利用聚四氟乙烯棒料毛坯余量作为工艺梁，提高工件切削刚度，在一次装夹中实现了零件的铣削和切断。对于异形聚四氟乙烯小型零件的切削加工，具有一定的指导作用。