鲁达 王东方李德宏
中国电子技术集团第27研究所郑州450047
1、介绍。
环氧树脂是一种具有高电性能、内表面漏电、电弧的优良绝缘材料。
分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，3240环氧板由电工玻璃布浸以环氧树脂，经烘干、热压而成。环氧玻璃纤维板是由环氧树脂和碳纤维混合而成的二相或多相结构，其构件大多是直接在成型模上用浸树脂碳纤维布按不同角度层叠铺设或用缠绕机编织碳纤维并用树脂粘接而成。环氧树脂板作为电子器件之间的绝缘材料，有耐高压、隔离、绝缘的作用，在机电产品中有着广泛的应用。随着科学技术的发展，电子设备逐渐向小型化、集成化发展，作为电子产品中起到绝缘作用的器件，也必然向轻、薄方向发展，但是，轻、薄环氧树脂材质的工件却给生产加工带来了巨大挑战。我单位生产的环氧树脂材质绝缘板多以轻、薄、小为主[1]。2、典型零件结构分析
环氧树脂玻璃布板强度大、硬度高，具有耐压、不抗拉的力学特点，加工过程中容易出现内部脱粘，形成母体断层等缺陷，造成工件报废。且碳纤维从环氧树脂中拉出，严重影响加工表面的平面度[2]。加工毛坯尺寸为15×109×119，该零件主要由凸台、凹腔、异型孔、缺口组成，零件厚度为15mm，凸台高12mm，端面为基准安装面，表面粗糙度为3.2μm，平面度为0.05，由于去除余量较大，刀具磨损严重，很难满足加工表面要求；方孔、异型孔到边界距离2mm，很容易被刀具挤断而造成工件报废；零件对角处有凸台和缺口，不利于虎钳装夹。绝缘底板三维模型如图1所示。
A 正面
B 反面
图1 绝缘底板三维模型
该零件属于小批量生产，同时要满足加工精度、形状尺寸的一致性和互换性要求。因此对刀具的选择和切削参数的设置提出了很高的要求。
3、加工工艺优化
3.1刀具的选择与优化
高速钢立铣刀不适合切削强度大、硬度高、导热性差的环氧树脂材质，刀具磨损严重，刀尖消失，侧切削刃出现若干豁口，无法继续使用。刀具磨损后，玻璃纤维从环氧树脂中拉出，不能被完全铣削干净，严重影响了端面的粗糙度和平面度要求。因此在粗加工时改用玉米铣刀，特别适用于加工强度大、硬度高的材料。切削刃由许多切削单元组成，刀齿有规律排列，有利于切削液渗透，散热性和排屑功能好，切削效率高。半精加工选用YT6硬质合金立铣刀，精加工选用YT30硬质合金立铣刀。
3.2装夹方式分析与优化
装夹方式对零件的加工影响很大，装夹不合理很容易造成工件报废。工件坐标系X、Y轴原点位于毛坯顶面右上角，工件坐标系Z轴零点位于工件上表面。用虎钳装夹3mm尺寸，铣削余量12mm，加工表面按照先粗加工、半精加工、精加工的顺序进行，吃刀量大且机床转速很低，导致刀具磨损严重、加工表面欠佳。铣削异型方孔时，刀具离工件边界很近，有挤断筋和碰到虎钳的风险。针对此类零件重新设计专用工装，工装材料选用铝板H112，为了工件夹持牢固，工装两凸台处开有宽1.5mm槽。在数控机床上，通过专用工装定位找正，省去了每次工件装夹找正的繁琐。
3.3加工策略分析与优化
加工设备选择DMG 1035数控机床，数控程序编制使用Cimatron E13编程软件设计刀路轨迹，主要加工类型有体积铣、2.5轴型腔铣削和封闭轮廓铣削。为了提高加工效率和减少换刀，用Φ12mm三齿玉米立铣刀进行粗加工，用Φ12mm和Φ6mm硬质合金立铣刀进行半精加工和精加工。毛坯的加工顺序和下刀方式非常重要，根据余量判断，先铣削凸台凹腔，再铣削凸台及各特征。
一次装夹，首先铣削两处缺口及圆孔，加工坐标系为工件顶面右上角，刀路轨迹和模拟结果如图2、3所示：
图2 铣削缺口仿真刀路
图3 模拟结果
二次装夹，沿X轴旋转180°，加工坐标系为工件顶面右上角，铣削凸台及异型孔，余量较大需要分层铣削，凸台高度12mm，分三层铣削，留0.5mm半精加工和0.2mm精加工，刀路轨迹如图4所示；其次铣削异型孔，方孔到边界的距离2mm、厚3mm，该连接筋的粘合力不足以抵抗刀具的挤压力，下刀时一定要避开零件的薄弱处，要缓慢的螺旋进刀，刀路轨迹如图5所示。
图4 铣削凸台
图5 铣削方孔
4、加工切削参数选择
在铣削过程中，为了提高生产率，尽量在一定的时间内切除较多的材料。增加吃刀量、铣削速度和进给量都能增加金属切除量。但是，影响刀具寿命最显著的因素是铣削速度，其次是进给量，而吃刀量对刀具的影响最小。所以，为了保证必要的刀具寿命，首先采用较大的吃刀量，其次选择较大的进给量及合适的铣削速度。
粗加工时，限制进给量提高的主要因素是切削力，在强度、刚度满足的条件下，进给量应尽量选取大些。精加工时，为了提高表面粗糙度，减少工艺系统的振动和已加工表面的残留面积高度，一般选取较小的进给量。吃刀量和进给量确定后，在保证合理的刀具寿命的前提下确定铣削速度。精加工时，要抑制积屑瘤产生，提高表面质量，设置合理的铣削速度。根据车间生产能力和加工经验，环氧板加工工艺参数如表一所示：
表 1 环氧板加工工艺参数
粗加工 | 半精加工 | 精加工 | |
刀具编号 | 10 | 12 | 6 |
刀具类型 | 玉米铣刀 | 硬质合金刀 | 硬质合金刀 |
刀具型号 | Φ12 | Φ12 | Φ6 |
主轴转速r·min-1 | 2200 | 2000 | 2400 |
进给速度mm·min-1 | 520 | 450 | 400 |
为了避免以前加工中出现的问题，对零件的加工进行粗开、半精加工、精加工处理：粗开两方孔，单边留2mm余量，1.5mm半精加工和0.5mm精加工；圆孔只需要进行粗加工和精加工即可，用Ф6mm硬质合金刀精铣加工余量，仿真刀路与模拟结果如图6、7所示。
图6 精加工仿真刀路
图7 模拟结果
通过工艺优化之后，顺利完成了该零件的加工，既提高了加工效率又节约了材料成本。成品完全符合设计图纸要求，加工完的成品如图8所示。
A正面
B反面
图8 绝缘板加工成品图
5、结语
本文通过加工工艺优化、刀具选择等方法，顺利解决了加工环氧树脂材质零件时，工件材料吸收水分而导致纤维拔出，容易内部脱黏，形成分层与母体分离；玻璃纤维不能被完全切除，残留在工作表面，形成拉毛状态，导致工件的平面度与设计精度不符等一系列加工中出现的问题，探索了一些有益的加工方法。但是对于环氧树脂材质的切削性能和刀具的磨损机理还需要进一步的学习和研究。
参考文献：
[1] 李德宏，杨岗伟，刘龙飞. 环氧树脂材质底板数控工艺改进[J]. 金属加工，2015(1): 48-50.
[2] 武渊博. 环氧树脂增韧及其阻尼性能的研究[D]. 北京：北京化工大学，2011.
作者简介：王东方，男，1985年出生，工程师，研究方向：制造过程控制与工艺优化。