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13652478534PEEK(聚醚醚酮)棒材憑借優(yōu)異的機(jī)械性能與耐候性,在高端制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但加工過程中易出現(xiàn)開裂問題,嚴(yán)重影響產(chǎn)品精度與使用壽命。開裂的核心誘因主要包括材料內(nèi)應(yīng)力殘留、加工工藝參數(shù)不合理、刀具與設(shè)備適配性差三大類。針對這一痛點(diǎn),需從 “應(yīng)力消除” 與 “工藝優(yōu)化” 雙維度切入,結(jié)合 PEEK 材料的熱穩(wěn)定性、機(jī)械特性,制定全流程解決方案。
在制定解決方案前,需先明確開裂的具體成因,避免盲目調(diào)整工藝。PEEK 棒材加工開裂多發(fā)生于車削、銑削的深切削階段,或鉆孔的貫穿瞬間,常見誘因可分為三類:
內(nèi)應(yīng)力殘留積累:PEEK 棒材在擠出 / 模壓成型時(shí),因冷卻速度不均(表層快、芯層慢),分子鏈?zhǔn)湛s不同步,易形成徑向殘留應(yīng)力;若成型后未進(jìn)行應(yīng)力釋放處理,加工時(shí)切削力打破應(yīng)力平衡,就會(huì)導(dǎo)致棒材沿徑向開裂,尤其大直徑(≥200mm)棒材因芯層應(yīng)力更集中,開裂風(fēng)險(xiǎn)更高。
加工工藝參數(shù)失配:切削速度過快(如車削速度>300m/min)會(huì)導(dǎo)致切削區(qū)域局部過熱,PEEK 導(dǎo)熱系數(shù)低(0.25W/(m?K)),熱量無法及時(shí)散發(fā),材料表層軟化而芯層仍處于剛性狀態(tài),產(chǎn)生 “熱應(yīng)力差”;進(jìn)給量過大(如銑削每齒進(jìn)給>0.2mm)或切削深度驟增(單次>3mm),會(huì)使瞬時(shí)切削力超過 PEEK 的抗彎強(qiáng)度(未增強(qiáng)型約 120-140MPa),引發(fā) “機(jī)械應(yīng)力斷裂”。
刀具與夾持方式不當(dāng):使用鈍刀具或負(fù)前角過大(>-15°)的車刀,會(huì)加劇刀具與材料的摩擦,不僅產(chǎn)生額外熱量,還會(huì)導(dǎo)致切削力集中于加工面;夾持時(shí)若采用硬爪直接夾緊,或夾持力過大,會(huì)在棒材表面形成 “夾持應(yīng)力”,與加工應(yīng)力疊加后,易在夾持部位附近出現(xiàn)裂紋。
應(yīng)力消除是解決 PEEK 棒材加工開裂的基礎(chǔ),需貫穿 “成型后預(yù)處理” 與 “加工中應(yīng)力控制” 全流程,重點(diǎn)針對殘留應(yīng)力與加工中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。
退火是消除 PEEK 棒材成型殘留應(yīng)力最有效的方式,需根據(jù)棒材直徑與增強(qiáng)類型(純料 / 玻纖增強(qiáng) / 碳纖增強(qiáng))調(diào)整工藝參數(shù),核心是通過緩慢升溫與保溫,讓分子鏈充分松弛:
純料 PEEK 棒材:直徑<50mm 的小規(guī)格棒材,采用 “低溫長時(shí)” 退火:將棒材放入烘箱,以 5℃/min 的速度升溫至 160-180℃,保溫 2-3 小時(shí),再以 2℃/min 的速度降溫至室溫;直徑≥200mm 的大規(guī)格棒材,需提高保溫溫度至 180-200℃,保溫時(shí)間延長至 4-6 小時(shí),避免芯層應(yīng)力未完全釋放。
增強(qiáng)型 PEEK 棒材:玻纖增強(qiáng)(30%)PEEK 因玻纖與基體熱膨脹系數(shù)差異(玻纖約 5×10??/℃,PEEK 約 8×10??/℃),易產(chǎn)生界面應(yīng)力,退火溫度需控制在 200-220℃,保溫 3-4 小時(shí),且降溫速度需降至 1℃/min,防止界面因溫差過大出現(xiàn)微裂紋;碳纖增強(qiáng) PEEK 退火溫度可略高(220-240℃),但保溫時(shí)間不宜超過 3 小時(shí),避免碳纖與基體界面結(jié)合力下降。
預(yù)熱處理:加工大直徑(>100mm)或厚壁 PEEK 棒材前,將其放入 120-150℃烘箱預(yù)熱 1-2 小時(shí),使棒材內(nèi)外溫度均勻(溫差≤5℃),避免加工時(shí)因 “冷芯熱表” 產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如加工直徑 300mm 的純料 PEEK 棒材,若直接在室溫(25℃)下加工,切削區(qū)域溫度驟升至 150℃以上,芯層仍為 25℃,易因熱脹冷縮差異導(dǎo)致徑向開裂,預(yù)熱后可使開裂率降低 60% 以上。
柔性夾持優(yōu)化:采用 “軟爪 + 定心夾具” 替代傳統(tǒng)硬爪夾持,軟爪表面包裹 0.5-1mm 厚的聚氨酯橡膠,增加接觸面積的同時(shí)避免劃傷棒材;夾持力需根據(jù)棒材直徑調(diào)整,直徑 50-100mm 的棒材,夾持力控制在 8-12kN,直徑>200mm 的棒材,夾持力增至 15-20kN,且需分 3 次逐步施加(每次間隔 10 秒),防止瞬時(shí)夾持力過大產(chǎn)生塑性變形。
加工工藝不當(dāng)是誘發(fā) PEEK 棒材開裂的直接因素,需針對車削、銑削、鉆孔三大核心工序,從刀具選擇、切削參數(shù)、冷卻方式三方面精準(zhǔn)優(yōu)化。
刀具選型:優(yōu)先選用硬質(zhì)合金涂層刀具(如 TiAlN 涂層),涂層硬度≥3000HV,可減少刀具磨損;車刀前角取 - 5° 至 - 10°(純料 PEEK 取 - 5°,增強(qiáng)型取 - 10°),后角取 8°-12°,刃傾角取 1°-3°,避免前角過小導(dǎo)致切削力過大,或前角過大導(dǎo)致刀刃強(qiáng)度不足。
切削參數(shù)適配:
粗加工(去除余量>5mm):切削速度控制在 80-120m/min,進(jìn)給量 0.1-0.15mm/r,切削深度單次≤2mm,采用 “低速度 + 大進(jìn)給 + 小深度” 策略,減少單次切削力;
精加工(余量<1mm):切削速度提升至 150-200m/min,進(jìn)給量降至 0.05-0.1mm/r,切削深度 0.2-0.5mm,通過 “中速度 + 小進(jìn)給” 保證表面質(zhì)量,同時(shí)避免速度過高產(chǎn)生過熱。
冷卻方式升級(jí):采用高壓噴霧冷卻(壓力 0.8-1.2MPa),將水基冷卻液(濃度 8%-10%)以霧狀噴射至切削區(qū),霧滴直徑控制在 50-100μm,既能快速帶走熱量(冷卻效率比普通澆注高 40%),又能避免冷卻液滲入棒材內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
PEEK 棒材銑削開裂多發(fā)生于深槽銑削或輪廓銑削,核心是控制分層切削與振動(dòng):
刀具與路徑優(yōu)化:選用4 刃立銑刀(純料 PEEK)或2 刃立銑刀(增強(qiáng)型 PEEK,減少纖維纏繞),刀具直徑與槽寬比不超過 1:1.2;采用 “分層銑削 + 順銑” 路徑,每層切削深度≤1.5mm,順銑時(shí)刀具旋轉(zhuǎn)方向與進(jìn)給方向一致,可減少切削力波動(dòng),避免逆銑導(dǎo)致的振動(dòng)應(yīng)力。
切削參數(shù)控制:銑削速度取 120-180m/min(純料 PEEK 取上限,增強(qiáng)型取下限),每齒進(jìn)給量 0.08-0.12mm,對于直徑>20mm 的立銑刀,需將主軸轉(zhuǎn)速控制在 2000-3000r/min,防止離心力過大導(dǎo)致刀具振動(dòng)。
振動(dòng)抑制措施:若加工長徑比>5 的細(xì)長棒材(如直徑 50mm、長度 300mm),需在加工區(qū)域加裝跟刀架,跟刀架支撐塊采用耐磨鑄鐵材質(zhì),與棒材接觸間隙控制在 0.02-0.05mm,減少切削時(shí)的彎曲振動(dòng)。
PEEK 棒材鉆孔開裂集中在 “入口處”(鉆頭切入時(shí)應(yīng)力集中)與 “出口處”(材料撕裂),需針對性優(yōu)化:
鉆頭與切削參數(shù):選用118° 鉆尖角的硬質(zhì)合金鉆頭(純料 PEEK)或金剛石涂層鉆頭(增強(qiáng)型 PEEK),鉆頭刃口需進(jìn)行 “倒棱處理”(倒棱寬度 0.05-0.1mm),避免刃口過尖導(dǎo)致切入時(shí)崩裂;鉆孔速度取 80-120m/min,進(jìn)給量 0.05-0.1mm/r,對于深度>3 倍直徑的深孔,采用 “啄鉆” 模式(每鉆入 5-10mm,退刀 2-3mm 排屑),防止切屑堵塞孔內(nèi)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。
入口與出口保護(hù):入口處鋪墊 0.5-1mm 厚的紫銅片(硬度低、塑性好),鉆頭先穿透紫銅片再切入 PEEK 棒材,分散切入時(shí)的瞬時(shí)應(yīng)力;出口處采用 “支撐工裝”(如聚氨酯墊塊),避免材料因懸空導(dǎo)致出口處撕裂,尤其加工厚度>20mm 的棒材時(shí),支撐工裝與棒材接觸面積需≥鉆孔面積的 3 倍。
除應(yīng)力與工藝外,材料質(zhì)量與設(shè)備性能也會(huì)間接導(dǎo)致開裂,需從源頭把控:
原材料篩選:選用分子量分布均勻(Mw/Mn=2-3)的 PEEK 原料,避免因分子量差異導(dǎo)致局部強(qiáng)度不均;增強(qiáng)型 PEEK 棒材需檢查纖維分散性,玻纖 / 碳纖團(tuán)聚顆粒直徑不超過 0.5mm,否則加工時(shí)團(tuán)聚體易成為應(yīng)力集中點(diǎn),引發(fā)局部開裂。
設(shè)備剛性提升:加工大直徑(>150mm)PEEK 棒材時(shí),需選用主軸功率≥7.5kW、徑向跳動(dòng)≤0.01mm 的數(shù)控機(jī)床,避免設(shè)備剛性不足導(dǎo)致切削時(shí) “讓刀”,產(chǎn)生額外的彎曲應(yīng)力;導(dǎo)軌潤滑需定期檢查,確保進(jìn)給速度穩(wěn)定,減少因速度波動(dòng)導(dǎo)致的切削力突變。
案例 1:直徑 50mm 純料 PEEK 棒材車削端面開裂
問題原因:未進(jìn)行退火處理,成型殘留應(yīng)力未釋放,車削速度 250m/min 過高,導(dǎo)致端面過熱;
解決方案:先以 180℃退火 2 小時(shí),車削速度降至 150m/min,進(jìn)給量 0.1mm/r,采用高壓噴霧冷卻,開裂問題完全解決。
案例 2:30% 玻纖增強(qiáng) PEEK 棒材(直徑 80mm)鉆孔出口開裂
問題原因:鉆頭無倒棱處理,出口處未支撐,進(jìn)給量 0.15mm/r 過大;
解決方案:更換 118° 鉆尖角、刃口倒棱的鉆頭,進(jìn)給量降至 0.08mm/r,出口處加聚氨酯支撐塊,開裂率從 80% 降至 5% 以下。
要徹底解決 PEEK 棒材加工開裂問題,需遵循 “預(yù)處理→工藝優(yōu)化→設(shè)備適配” 的全流程控制邏輯:
預(yù)處理階段:通過退火釋放成型應(yīng)力,預(yù)熱減少溫差應(yīng)力,柔性夾持避免夾持應(yīng)力;
加工階段:針對車削、銑削、鉆孔的不同特點(diǎn),優(yōu)化刀具選型與切削參數(shù),采用高壓冷卻減少熱應(yīng)力,控制路徑與振動(dòng)減少機(jī)械應(yīng)力;
源頭把控:篩選優(yōu)質(zhì)原材料,確保設(shè)備剛性與精度,從根本上降低隱性開裂風(fēng)險(xiǎn)。
通過以上措施,可將 PEEK 棒材加工開裂率控制在 5% 以內(nèi),同時(shí)保證加工精度(公差≤±0.02mm)與表面質(zhì)量(Ra≤1.6μm),滿足高端制造領(lǐng)域的嚴(yán)苛要求。
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