CN112605443A - 一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法。本发明通过制定加工方案、粗加工、热处理及精加工零件内腔及外部四个步骤，通过提高零件结构的强度，避免热处理过程出现开裂现象，同时正确设定热处理工艺参数，有效均化加工应力，为精加工做好技术准备，另外，在切削加工过程中，正确确定冷却润滑方案、加工顺序、切削轨迹、切削参数，有效解决了工业有机玻璃零件加工中的崩裂问题。

Description

一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法。

背景技术

随着高分子材料在现代工程中应用范围的扩大和对其性能要求的提高，使得其在各个领域内的应用越来越广。有机玻璃是一种区别于金属材料的高分子材料,属于硬而脆的高聚物，缺口敏感性强，抗裂纹扩展能力很差。尤其是结构类零件，其结构变化的多样性、壁厚差异的不同，更容易引起应力集中，机械加工过程中经常会出现崩裂现象。

目前，虽然机械加工领域的发展非常快，但是由于该材料自身性能的特殊性，需要从加工过程的多个方面进行综合考虑，并非单一的依赖于加工设备和技能水准。在此情况下，如何确定合理的工艺方案，界定工艺参数，将多项工艺技术和措施揉和在一起，而形成一种新的加工方法，有效控制该类材料的崩裂现象，进而保证加工质量，是工业有机玻璃材质零件加工的关键难点技术。

发明内容

本发明提供了一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，目的在于提供一种能够有效控制有机玻璃材料崩裂现象发生，进而保证加工质量，提高加工效率的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，包括如下步骤，

步骤一：制定加工方案；

步骤二：粗加工；

根据步骤一制定的方案，对有机玻璃材质零件进行粗加工；

步骤三：热处理；

对经过步骤二处理后的零件进行热处理；

步骤四：精加工零件内腔及外部。

所述的步骤一制定加工方案包括如下步骤，

第一步：划分加工阶段；

将加工阶段划分为粗加工、热处理、精加工；

第二步：确定热处理工艺圆角部位及工艺圆角参数，并初步确定精加工余量δ值的大小；

第三步：根据第二步初步确定的加工余量及工艺圆角参数，进一步确定热处理前零件加工部位及尺寸；

第四步：确定精加工零件时采用压缩空气空冷的冷却润滑；

第五步：走刀轨迹确定。

所述的第一步各处精加工余量δ的值为1mm≤δ≤3mm。

所述的第二步中热处理工艺圆角部位包括零件内腔根部、侧壁直角相接处、各处台阶处；零件外部各处的台阶和凸台处及应力集中部位。

所述的第二步中工艺圆角参数R为2mm≤R≤5mm，且在台阶，其数值不大于台阶高度值。

所述的第三步确定热处理前零件加工尺寸时，通过调整精加工余量的方法，调整各处壁厚，使相邻部位壁厚差不大于其中薄部位壁的厚度值。

所述的第五步中的走刀轨迹确定采用如下方式：当外部加工时，先加工周边部位，然后逐渐向中心部位加工；当内腔加工时，先加工中心部位，然后逐渐向周边部位加工。

所述的步骤三热处理时，零件应力消除的温度区间为60-120℃，保温时间不小于2h，升温速率不大于40℃/h、降温速率不大于30℃/h。

所述的步骤四精加工零件内腔及外部时，铣削加工的切削深度为0.5～3mm，分层切削时，最后一次切削深度不得小于0.5mm。

所述的铣削加工时采用干切削方式，同时配以压缩空气空冷方式。

有益效果：

(1)本发明将加工过程进行了阶段划分，减少了精加工阶段的加工余量及加工应力的产生，有效减少了因应力集中而产生的开裂现象发生。

(2)本发明优化了热处理过程和参数，有效均化了加工应力。

(3)本发明采取增加余量调整壁厚及设定工艺圆角等措施，有效规避了应力集中现象，可提高薄壁部位强度，有效控制了零件在热处理过程中出现的崩裂现象。

(4)本发明采用合理的走刀路径，能够大幅度减少边沿部位的崩裂现象。

(5)本发明选用合理的切削参数，降低了加工过程中的挤压摩擦现象，大幅度降低了切削热及材料的烧结现象；明确最后一次切削深度不得小于0.5mm，能够有效去除前期加工缺陷，提高加工质量。

(6)本发明明确了冷却润滑方案，消除了有机溶剂对材料的溶胀等负面作用。

(7)本发明可操作性强，推广性大。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程图；

图2是本发明实施例的有机玻璃材质零件的结构图一；

图3是本发明实施例的有机玻璃材质零件的结构图二；

图4是本发明实施例的有机玻璃材质零件的结构图三；

图5是本发明实施例的有机玻璃材质零件的结构图四。

图中：1-盲孔；2-凹腔；3-外部缺口；4-通槽；5-台阶；6-腰槽；7-外表面；8-小孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，包括如下步骤，

步骤一：制定加工方案；

步骤二：粗加工；

根据步骤一制定的方案，对有机玻璃材质零件进行粗加工；

步骤三：热处理；

对经过步骤二处理后的零件进行热处理；

步骤四：精加工零件内腔及外部。

进一步的，所述的步骤一制定加工方案包括如下步骤，

第一步：划分加工阶段；

将加工阶段划分为粗加工、热处理、精加工；

第二步：确定热处理工艺圆角部位及工艺圆角参数，并初步确定精加工余量δ值的大小；

第三步：根据第二步初步确定的加工余量及工艺圆角参数，进一步确定热处理前零件加工部位及尺寸；

第四步：确定精加工零件时采用压缩空气空冷的冷却润滑；

第五步：走刀轨迹确定。

本发明具体应用时，首先制定加工方案，设定粗加工、热处理、精加工，通过设定各处精加工余量及然后通过粗加工阶段对零件结构进行合理调整，减小壁厚差，以提高零件结构的强度，避免热处理过程出现开裂现象。本发明创造性的将热处理工艺手段应用于工业有机玻璃这一非金属材料的加工过程中，通过确定热处理工艺圆角部位及工艺圆角参数，设定适宜的热处理工艺参数，有效均化加工应力，为精加工做好技术准备，另外，在切削加工过程中，正确确定冷却润滑方案、加工顺序、切削轨迹、切削参数，有效解决了工业有机玻璃零件加工中的崩裂问题。

在现有技术中的有机玻璃零件一般采用切割、热成型技术，再辅以微量切削加工，产生的加工应力小，不会产生崩裂现象，所以不用进行热处理过程，而对于切削加工成型的复杂结构件，产生的加工应力超出其抗拉强度时，引起崩裂现象。本发明创造性的将热处理技术应用于有机玻璃零件加工，通过热处理技术可以有效均化加工应力，避免开裂。

实施例二：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例一的基础上，所述的步骤三热处理时，零件应力消除的温度区间为60-120℃，保温时间不小于2h，升温速率不大于40℃/h、降温速率不大于30℃/h。

在实际使用时，通过以上三个步骤的热处理过程，可以有效均化加工应力，避免后期加工中产生开裂现象。

在有机玻璃加工领域，由于在热处理过程中，一旦参数选取不当，在温度变化时，就会因热应力产生崩裂现象，所以一般不采用热处理工艺，并且将热处理应用于工业有机玻璃材质零件的制作，这同金属材料的热处理工艺方案相比较，在温度区间、温控方法方面存在着很大区别。本发明通过长期试验，将工业有机玻璃热处理技术中的升降温速度、保温温度及时长控制在一定范围内，解决了处理过程中的崩裂问题。

实施例三：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例二的基础上：所述的第一步各处精加工余量δ的值为1mm≤δ≤3mm。

在实际使用时，在1～3mm之间，根据零件结构合理地选取加工余量，既可以有效消除前期的加工缺陷，同时又可以有效控制加工应力。

实施例四：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例二的基础上：所述的第二步中热处理工艺圆角部位包括零件内腔根部、侧壁直角相接处、各处台阶处；零件外部各处的台阶和凸台处及应力集中部位。

在实际使用时，根据以上方案设定工艺圆角，零件的强度得到提高，零件抗开裂性能得到显著提升，避免零件在热处理过程中出现开裂现象。

实施例五：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例二的基础上：所述的第二步中工艺圆角参数R为2mm≤R≤5mm，且在台阶，其数值不大于台阶高度值。

在实际使用时，依据以上方法设定工艺圆角数值，既满足了零件强度要求，同时加工余量又不会显著增大，而且零件的结构在粗精加工两个阶段不会有较大的变化。

本发明中热处理前零件在壁厚上的构思，是根据材料特性和零件结构特点而设定的，为后续热处理工艺奠定了良好的基础。

实施例六：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例二的基础上：所述的第三步确定热处理前零件加工尺寸时，通过调整精加工余量的方法，调整各处壁厚，使相邻部位壁厚差不大于其中薄部位壁的厚度值。

在实际使用时，采用以上方案，可以简化粗加工零件结构，减少加工内容；合理调整各处壁厚，比如在壁厚较薄处增大余量，能够有效避免相邻部位因壁厚差较大而引起的应力集中，避免了零件在较薄的部位产生开裂。

在具体应用时，当确定的壁厚值与加工余量相冲突时，以本方案为准。

在具体应用时，确定热处理前零件部位时，细微部位，如小孔，小凹腔等不作加工要求。

实施例七：

参照图1所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例二的基础上：所述的第五步中的走刀轨迹确定采用如下方式：当外部加工时，先加工周边部位，然后逐渐向中心部位加工；当内腔加工时，先加工中心部位，然后逐渐向周边部位加工。

在实际使用时，按照上述原则确定走刀轨迹，可以避免零件外部边沿部位和内腔中心部位在加工时产生崩裂现象，提高表面质量。

本发明中走刀轨迹的设定，与常规金属材料及其他非金属材料有着显著区别，可以有效提高表面加工质量。

实施例八：

参照图所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，在实施例一的基础上：所述的步骤四精加工零件内腔及外部时，铣削加工的切削深度为0.5～3mm，分层切削时，最后一次切削深度不得小于0.5mm。

进一步的，所述的铣削加工时采用干切削方式，同时配以压缩空气空冷方式。

在实际使用时，设定0.5～3mm的切削深度，可以有效控制加工应力，也可以降低因余量过大而产生的崩裂现象；最后的切削深度控制在0.5mm以内，完全可以消除前期的加工缺陷，可以减小加工应力；采用干切削配以压缩空气的冷却方式，能够避免切削液中有机成分对材料的溶胀效应而产生开裂的现象。

本发明采用的干切削辅以压缩空气的冷却方案，既有效降低了切削区温度，又避免了切屑沾附在刀具前刀面形成积屑瘤，同时也规避了有机溶剂的溶胀现象，是其他冷却润滑方案无法替代的。

本发明中切削参数的设定，能够有效提高表面加工质量。

实施例九：

参照图2-图5所示的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，

步骤1、划分加工阶段。粗加工阶段去除两处盲孔1、两处凹腔2、外部缺口3、通槽4、台阶5的加工余量，各处余量初步设定1mm，热处理工序均化加工应力，精加工阶段保证最终要求。

步骤2、设置热处理工艺圆角。设置零件两处盲孔1底面周边圆角R3mm，两处凹腔2底面周边圆角R3 mm，内腔加工刀具半径R2 mm，外部缺口3、通槽4位置三处圆角R3 mm，台阶5处工艺圆角R1.5 mm。

步骤3、确定热处理前零件结构及尺寸。①两处腰槽6处和三处小孔8这两个细微结构，在粗加工过程中不做要求。②零件各处外表面7加工余量1mm；两处盲孔1的内侧面及底面余量1mm余量；两处凹腔2周边内侧面加工余量增加到2mm，底部余量增加到1.5mm；经过调整后，强度最薄弱位置的两处凹腔2侧面壁厚调整到6mm，底部壁厚调整到5mm，零件整体壁厚差小于1mm。

步骤4、确定合理的冷却润滑方案。在粗加工、精加工切削过程中，禁止使用含有乙醇、丙酮等有机溶剂的切削液，采用干切削方式，同时配以压缩空气空冷方式。

步骤5、确定走刀轨迹。①外表面7加工时，采用顺铣方式，先加工边沿部位，加工宽度距离边沿0.5mm，再逐步向中心部位加工。②、两处盲孔1和两处凹腔2在加工时，采用逆铣方式，先侧壁后底部，侧面深度方向分层加工，每次深度3mm，底部从中心向四周辐射加工。

步骤6、粗加工。根据前面制定的方案，零件的加工顺序是：外表面7—两处凹腔2—两处盲孔1—台阶5—通槽4—外部缺口3。

步骤7、热处理：根据零件外形、壁厚、结构等，选定85±5℃作为有机玻璃应力消除的温度区间，保温时间4-5h,升温速率35-40℃/h，降温速率20-25℃/h。

步骤8、精加工零件内腔及外部各处。依照粗加工顺序，同时将细微部位的加工添加进去：外表面7、两处凹腔2、三处小孔8、两处盲孔1、台阶5、通槽4、两处腰槽6、外部缺口3。

所述步骤1、步骤3在确定零件结构及尺寸时，步骤1加工余量初步设定1mm，在步骤3中，从零件各处壁厚差考虑，对两处凹腔2内侧面及底面余量进行了调整，最终以步骤3数据为准。

所述步骤2设定工艺圆角时，台阶5处工艺圆角R1.5 mm，其数值小于台阶高度值。

所述步骤3确定零件结构和尺寸时，零件两处腰槽6和三处小孔8结构，在粗加工过程中不做要求。

所述步骤5中，从零件结构着手，易发生崩裂的情况是：外表面7边沿部位的蹦边、两处凹腔2和两处台阶盲孔1的内侧面及底面挤压造成的开裂。

所述步骤6中，确定加工顺序时，两处凹腔2、两处台阶盲孔1加工完毕后，各处壁厚经过整体合理调整后，其整体刚性结构就已经完全确定下来，对后续台阶5、通槽4、外部缺口3的装夹定位都不会产生不确定性的影响。

所述步骤7中，零件热处理前，擦拭干净表面油迹、污迹、溶剂，以避免热处理过程中的温升不均而引起的零件开裂。

所述步骤6、步骤8中，铣削加工时，选用高速钢通用刀具，转速1300r/min，进给量，0.1mm/r，切削深度3mm，分层切削时，最后一次切削深度0.7mm。三处小孔8采用钻削加工，转速480r/min。

在实际操作时，保温时间越长越好、降温速率越慢越好但考虑经济的原因，保温时间控制在4-5h,降温速率20-25℃/h。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一：制定加工方案；

步骤二：粗加工；

根据步骤一制定的方案，对有机玻璃材质零件进行粗加工；

步骤三：热处理；

对经过步骤二处理后的零件进行热处理；

步骤四：精加工零件内腔及外部。

2.如权利要求1所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于，所述的步骤一制定加工方案包括如下步骤，

第一步：划分加工阶段；

将加工阶段划分为粗加工、热处理、精加工；

第二步：确定热处理工艺圆角部位及工艺圆角参数，并初步确定精加工余量δ值的大小；

第三步：根据第二步初步确定的加工余量及工艺圆角参数，进一步确定热处理前零件加工尺寸及部位；

第四步：确定精加工零件时采用压缩空气空冷的冷却润滑；

第五步：走刀轨迹确定。

3.如权利要求2所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的第一步各处精加工余量δ的值为1mm≤δ≤3mm。

4.如权利要求2所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的第二步中热处理工艺圆角部位包括零件内腔根部、侧壁直角相接处、各处台阶处；零件外部各处的台阶和凸台处及应力集中部位。

5.如权利要求2所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的第二步中工艺圆角参数R为2mm≤R≤5mm，且在台阶，其数值不大于台阶高度值。

6.如权利要求2所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的第三步确定热处理前零件加工尺寸时，通过调整精加工余量的方法，调整各处壁厚，使相邻部位壁厚差不大于其中薄部位壁的厚度值。

7.如权利要求2所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于，所述的第五步中的走刀轨迹确定采用如下方式：当外部加工时，先加工周边部位，然后逐渐向中心部位加工；当内腔加工时，先加工中心部位，然后逐渐向周边部位加工。

8.如权利要求1所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的步骤三热处理时，零件应力消除的温度区间为60-120℃，保温时间不小于2h，升温速率不大于40℃/h、降温速率不大于30℃/h。

9.如权利要求1所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的步骤四精加工零件内腔及外部时，铣削加工的切削深度为0.5～3mm，分层切削时，最后一次切削深度不得小于0.5mm。

10.如权利要求9所述的一种用于工业有机玻璃材质零件的加工方法，其特征在于：所述的铣削加工时采用干切削方式，同时配以压缩空气空冷方式。

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