1 序言
碳纤维加强型PEEK材料在加入碳纤维后有效提高了材料耐磨性及力学性能，是一种性能优异的特种工程塑料。其中PEEK5600CF30材料的高耐磨性、突出的力学性能使其在气密密封、支撑定位的零部件中得到广泛应用。在车削加工PEEK5600CF30材料时也遇到了较大的问题，例如刀具磨损较快、加工效率低，在加工高精度尺寸时，刀具补偿值变化较大，加工精度不易保证。PCD（聚晶金刚石）刀具材质具备颗粒结合紧密、不易破损及耐磨性高等优点，作为车削刀具，前后角均可达较大值，切削力较小，适用于非金属材料的加工[1-3]。
2 零件的结构特征及加工问题
笔者单位车削加工的弹射挂弹钩减磨环材质为碳纤维加强型工程塑料PEEK5600CF30，零件壁厚为1mm，内孔及外圆表面粗糙度值Ra为1.6μm，外圆直径为30～55mm，长度为1～10mm，零件结构和三维立体图如图1、图2所示。
图1 减磨环结构
图2 减磨环三维立体图
加工PEEK特种工程塑料目前主要面临三大问题：一是采用硬质合金刀具加工，刀具寿命极差；二是加工过程中无法有效保证零件的尺寸精度和表面粗糙度，质量稳定性差；三是车削加工效率低，切削参数需要优化[4，5]。
3 解决方案
3.1 PCD刀具
一般的PCD刀具由金属刀具、PCD贴片及粘结层三部分组成。图3为典型的PCD刀片结构示意图，硬质合金金属基体与PCD贴片之间靠粘结层连接。
图3 PCD刀具
PCD刀具质量主要由PCD贴片的磨削质量及PCD贴片的材质质量决定。目前国内主要的PCD刀具厂商已能实现PCD材料的国产化及精密加工。因此国产PCD刀具的价格已从20世纪90年代的高不可攀下降到基本与高品质硬质合金相差无几。但是与进口PCD刀具相比，国产PCD刀具仍存在一些不足，例如质量不稳定，使用寿命较短等。一些国产PCD刀具使用的材料为进口材料，受制于国内加工水平，其刃口处理工艺仍与国外存在差距。按照组成材料的金刚石颗粒大小将常用到的PCD材料分为20、30及30M等级别。颗粒度越大，材料标号越大。与硬质合金颗粒度大小相似，较大的颗粒度耐磨性较好，适合加工硬度较大材料。
3.2 刀具的选择
以PEEK5600CF30材料的典型零件弹射挂弹钩减磨环加工为试验对象，分别使用硬质合金刀具和PCD刀具进行加工，观察两者磨损的区别及磨损值变化，并对两者加工参数进行对比。刀片材质、加工设备及加工零件数量见表1。
表1 刀片材质、加工设备及加工零件数量
硬质合金刀片加工过程中易发生前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损及沟槽磨损。在刀具磨损初步阶段，刃口因碳纤维挤压作用易发生崩裂；前刀面涂层在碳纤维材料摩擦下迅速破损，刀片基体发生快速磨损，造成刃口强度进一步降低，切削刃破损加剧；在剧烈磨损阶段，刀具后刀面磨损严重，刀尖圆弧形状破损（见图4），造成零件加工精度下降，翻边、毛刺现象严重，表面质量无法保证。
图4 刀尖圆弧形状破损
图4所示刀片使用OLYMPUS高倍电子显微镜测得的刀尖圆弧半径值为0.34mm，未使用的刀片刀尖半径为0.4mm，差值说明理论刀尖位置的偏差为－0.06mm。当按照第一件零件加工时测得的刀尖位置加工，意味着零件加工轮廓误差+0.06mm。对比减磨环零件壁厚公差
mm，此种公差足以使零件报废。
采用PCD聚晶金刚石刀具后，刀具磨损情况得到有效改善，在同样的加工时间及切削条件下，刀片仅前刀面发生低程度磨损，刃口基本完整，刀尖圆弧形状保持较高精度（见图5），零件加工精度得到较大改善。
图5 刀尖圆弧形状保持较高精度
图5所示为刀片使用OLYMPUS高倍电子显微镜测得的刀尖圆弧半径值为0.385mm，未使用的刀片刀尖半径为0.4mm，差值说明理论刀尖位置的偏差为－0.015mm。当按照第一件零件加工时测得的刀尖位置进行加工，意味着零件加工轮廓误差为+0.015mm。对比减磨环零件壁厚公差
mm，此时零件依旧合格。
通过此项试验可以得出结论：硬质合金刀片不适合车削PEEK5600CF30材料，PCD刀具适合车削PEEK5600CF30材料，采用20级别的PCD刀具即可满足需要。实际加工中选用的外圆PCD车刀如图6所示。
图6 外圆PCD车刀
3.3 加工尺寸精度误差分析
（1）刀具切削力对减磨环加工的影响 零件加工过程中如数控程序按减磨环零件正常尺寸编制，发现加工后内孔形状及外圆形状带有锥度：在10～12mm长度上，零件内孔变化量为0.04～0.05mm，外圆变化量为0.01～0.03mm。内孔及外圆形状如图7所示。
a）零件加工后理论状态 b）零件加工后实际状态
图7 内孔及外圆形状
分析原因为零件口部刚性较低，在刀具切入过程中发生让刀现象。经加工调试，将零件加工后锥度在数控程序中补偿，较好地保证加工精度。经过零件试加工，内孔口让刀量与零件轴向长度存在直接联系。轴向尺寸增加，孔口变形量加大。在编程过程中将锥度补偿后，能有效提高零件加工精度。
（2）刀具磨损对零件加工尺寸精度和表面质量的影响 以加工减磨环零件为例，经过现场验证的情况如下：在加工400件后由于刀具磨损剧烈，如继续使用，建议每加工50件调整一次刀补值及锥度，每次调整直径值0.02mm。加工条件为：使用CTX310数控机床，加工PEEK5600CF30棒料，刀具为某国产PCD内孔镗刀。加工参数：主轴转速1800r/min，进给量0.06mm/r，精车加工余量0.05mm，700～800件后不建议继续使用，强制换刀。进行这种操作的原因为刀具磨损造成切削力变大，进而影响到零件的尺寸精度和表面质量，必须及时调整刀具刀补值与数控程序才能保证零件加工合格率。
3.4 切削参数
表2为推荐使用的PCD刀具牌号及对应的切削参数。此参数的使用条件：加工机床为CTX310数控车床，零件壁厚值≥1mm，加工外圆直径30～50mm。此外注意上述所使用PCD刀片的生产厂家为SECO （山高），其余品牌的刀具参数可在此基础上微调。
表2 推荐使用的PCD刀具牌号及对应的切削参数
4 结束语
经过对PEEK工程塑料车削加工性能的研究与应用，PEEK5600CF30材料的车削加工效率和质量都得到有效提高。
