CN105057973A

CN105057973A - 表面涂覆pmma抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法

Info

Publication number: CN105057973A
Application number: CN201510468778.XA
Authority: CN
Inventors: 刘战强; 李玉超; 蔡玉奎; 史振宇; 万熠
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: CN105057973B

Abstract

本发明公开了表面涂覆PMMA抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法，包括以下步骤：（1）配制PMMA胶体：在20~35℃下，将聚甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂混合均匀，制成PMMA胶体；（2）涂覆PMMA：把配制好的PMMA胶体涂覆在待加工工件表面；（3）加工：利用微机床加工中心加工涂覆PMMA的工件材料；（4）去除PMMA：把加工好的工件置于有机溶剂中溶解，清洗、干燥，得到被加工工件。本发明操作工艺简单。可以广泛的适用于金属和非金属等固体表面上，进行微机械加工操作。

Description

表面涂覆PMMA抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法

技术领域

本发明涉及一种在工件表面涂覆PMMA抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法，属于微细加工中抑制毛刺产生的技术领域。

背景技术

微细加工作为一种新型的机械加工技术领域，是微型零件制造领域非常重要的成形技术，与国家经济发展、科技进步、国防建设息息相关。产品的小型化成为当前全球的一种趋势，微小零部件在生物医学、航空航天、国防以及高科技电子产品等领域有着广阔的应用前景。微细零件的表面质量对其使用性能有着至关重要的影响，毛刺即工件已加工部位周围所形成的刺状物或飞边直接影响表面质量乃至产品的品质。因此加工过程中应尽量避免毛刺的产生，无法避免时，要有后续去毛刺的工艺，已有的去毛刺工艺，包括手工去毛刺、超声波去毛刺、水射流去毛刺、激光去毛刺、化学去毛刺等方法，均存在着其局限性。因此，控制毛刺的产生具有重要的现实意义。

研究表明，微细加工中存在边缘效应，即当刀尖运动到工件边缘时，由于边缘材料不能支撑刀尖切削力的作用，从而使得边界产生变形，刀具剪切角发生突变，产生负剪切区，造成塑性变形失稳，从而在微细加工过程中更容易产生毛刺。

微细加工前，在加工表面涂覆牺牲层是抑制毛刺产生的有效方法(如图1所示)。根据毛刺产生机理，涂覆的牺牲层可以为工件边缘提供足够的支撑强度，抵抗边界的塑性变形，延伸了加工材料的边界，把负剪切区的产生区域由工件材料内部转移到涂层材料中，使边缘部位的切削过程像非切削区域那么稳定，因而可大大降低毛刺的产生率。

目前用于微加工的涂覆材料主要是石蜡和低熔点合金，石蜡结合强度较低而且硬度较小，涂覆质量较差；低熔点合金涂覆需要较高的温度，会对工件造成热损伤。与工件材料结合强度低，加工过程很容易脱落，而且加工工艺复杂，现有设备无法做到均匀涂覆，后续去除工序须加热处理，增加了在线涂覆工艺难度。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的应用难题，提供了一种在工件表面涂覆PMMA牺牲层抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

表面涂覆PMMA抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法，包括以下步骤：

(1)配制PMMA胶体：在20～35℃下，将亚克力树脂粉(聚甲基丙烯酸甲酯)和亚克力固化剂(甲基丙烯酸异丁酯)按照质量比为1.2～1.4：1混合均匀，反应时间5～20min，制成PMMA胶体；

(2)涂覆PMMA：把配制好的PMMA胶体涂覆在待加工工件表面；

(3)加工：利用微机床加工中心加工涂覆PMMA的工件材料；

(4)去除PMMA：把加工好的工件置于有机溶剂中溶解，清洗、干燥，得到被加工工件。

PMMA是聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate)的缩写代称，是甲基丙烯酸甲酯的均聚物和共聚物的统称，分子式如图3所示。PMMA化学性质稳定，可切削加工性好，便于切削加工。

步骤(1)中，所述反应温度为25℃，经过实验验证，此温度使得亚克力树脂粉和亚克力固化剂的反应速率最大，并且反应更加充分。

所述亚克力固化剂为甲基丙烯酸异丁酯(分子结构式如图2所示)，所述甲基丙烯酸异丁酯简称IBMA，常温下为无色透明液体，反应中可以起到交联剂的作用。

所述亚克力树脂粉为小颗粒状的聚甲基丙烯酸甲酯，粒度为100μm以下，分子量15万Mw～16万Mw。经过实验验证与分析，粒度在100μm以下、分子量15万Mw～16万Mw时，与固化剂的反应更加充分，得到的PMMA胶体的可削加工性最好。

所述亚克力树脂粉和亚克力固化剂混合，缓慢搅匀，在20～35℃下发生固化反应，亚克力固化剂作为交联剂，可以与小分子量的亚克力树脂粉发生偶联，从而相互键合交联成网状结构的高分子。反应过程中，呈现出胶体状态，对于加工材料具有一定的粘性；二者的配比，对于固化反应有着较大的影响，二者配制重量比1.2：1时，可以充分反应，效果最佳，若固化剂置入量较多，会使材料产生小气泡，影响生成材料的性质；若固化剂置入量较少，则反应不充分，而且反应速度较慢。

此外，在固化反应中，还添加一些所需改性剂，可使涂层更好满足加工的需求，改性剂为现有技术中常规的改性剂，比如，加入增韧剂，可以减少对刀具的冲击。

步骤(2)中，作为较佳的一种实施方式，涂覆时采用涂覆装置进行涂覆，所述涂覆装置为一种用于微型复杂零件在线涂覆清洗装置，申请号为201510009583.9的中国专利中的装置(具体实施方式中的装置)，实现均匀涂覆。根据工艺要求，无需拆卸工件，利用其流体特性实现在线自动涂覆。

涂覆厚度和加工材料以及使用刀具等实际工况有关系，涂覆PMMA的厚度为0.5～5mm。若涂覆厚度较小，则在涂覆工艺上，实现均匀涂覆(若涂覆不均匀，会增加刀具的振动，影响刀具寿命和工件加工表面质量)，有着较大的工艺难度；若涂覆厚度较大，则会增加切削难度。

反应凝固后，可以在PMMA和金属或非金属工件材料表面，形成一层足够强度的边界层，可保证涂层在微加工过程中不致脱落。

步骤(4)中，所述有机溶剂是四氢呋喃(TNF，结构式如图4所示)、丙酮、氯仿或甲苯等。

作为较佳的一种实施方式，在使用有机溶剂溶解的过程中，采用超声辅助或者升温加快溶解速度。有机溶剂溶解10～15min，擦拭涂层表面，去除大块涂层，再把工件置于有机溶剂腐蚀20～25min，随后把工件放在水中冲洗，低温下烘干，得到被加工工件。

涂覆层材料选取以及涂覆层支撑强度是影响涂覆质量的重要因素。首先，涂覆材料需要与工件材料具有一定的吸附力，可以在加工时不致产生相对滑动，导致失效。两者在高温下不能产生化学反应，以防止对工件表面造成污染，并且加工后便于清除，不能残留在工件表面。其次，涂覆层的支撑强度受涂覆材料以及涂覆厚度影响，若涂覆层涂覆强度过高，会增加刀具的磨损，影响刀具的使用寿命；若涂覆强度过低，则抑制毛刺产生的效果不明显。此外，涂覆层厚度是影响涂覆工艺的重要因素，若涂覆厚度较小，则在涂覆工艺上，实现均匀涂覆(若涂覆不均匀，会增加刀具的振动，影响刀具寿命和工件加工表面质量)，有着较大的工艺难度；若涂覆厚度较大，则会增加切削难度。

本发明的有益效果是：

利用PMMA涂层的优势，可以在制备过程中，利用亚克力树脂粉和亚克力固化剂混合成胶体，在未凝固之前(常温下凝固时间5～20分钟左右，通过调节固化剂的比例，可调节凝固时间)，利用其流体特性，借助装置实现均匀涂覆，并且可以根据不同加工需求，设置涂层厚度。而且可以根据加工工艺需要(比如加工一些复杂结构，需要多次涂覆)，无需拆卸工件，实现在线涂覆。PMMA加工性能好，可以减少涂层对刀具的损坏。加工结束后，利用有机溶剂溶解，避免去除涂层过程中，对工件已加工表面的损伤和污染。操作工艺简单。可以广泛的适用于金属和非金属等固体表面上，进行微机械加工操作。

附图说明

图1是涂覆层抑制毛刺产生原理图。

图2是甲基丙烯酸异丁酯分子结构式。

图3是PMMA分子结构式。

图4是TNF分子结构式。

图5表示配制PMMA胶体。

图6表示均匀涂覆PMMA涂层。

图7表示在已加工表面在线涂覆PMMA涂层。

图8表示在四氢呋喃中去除PMMA涂层。

具体实施方式

本发明中亚克力树脂粉、亚克力固化剂和其它试剂均为常规试剂，均可通过商业途径所得。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

本实施例包括下面4个步骤：

1、配制PMMA胶体：在28℃下，把亚克力树脂粉-聚甲基丙烯酸甲酯(粒度在100μm以下、分子量15万Mw～16万Mw)和亚克力固化剂甲基丙烯酸异丁酯按照质量比1.4:1混合，缓慢搅匀，反应时间为5min，制成PMMA胶体；

2、涂覆PMMA：把配制好的PMMA胶体利用涂覆装置，所述涂覆装置是一种用于微型复杂零件在线涂覆清洗装置，中国专利号201510009583.9的具体实施方式中的装置，实现均匀涂覆。根据工艺要求，无需拆卸工件，利用其流体特性实现在线自动涂覆，涂覆厚度为2mm；

3、加工：利用微机床加工中心加工涂覆PMMA的工件材料；

4、去除PMMA：把加工好的工件置于丙酮(TNF，结构式如图4所示)有机溶剂中溶解，清洗、干燥，得到被加工零件。

实施例2

下面以在钛合金TC4表面上加工T型槽为例，详细阐述工艺过程。

1、配制PMMA胶体：在25℃下，把亚克力树脂粉和亚克力固化剂(所述亚克力树脂粉分子结构式如图3所示，粒度100μm以下，分子量15万Mw～16万Mw；亚克力固化剂为甲基丙烯酸异丁酯，结构式如图2所示。)按照1.2：1的比例(质量)混合，缓慢搅匀，反应时间为10min，如图5所示。

2、加工横槽：把配制好的PMMA胶体注射到涂覆装置中，所述涂覆装置是一种用于微型复杂零件在线涂覆清洗装置，中国专利号201510009583.9中具体实施方式的装置，均匀涂覆，设置涂覆厚度为1mm。待其冷却后，利用KERN公司五轴微细铣削加工中心铣削出T型槽的横槽，如图6所示。

3、加工纵槽：无需拆卸钛合金工件，把PMMA胶体注射到涂覆装置中，在已加工得到的槽底面均匀涂覆一层厚度1mm的PMMA涂层。利用KERN公司五轴微细铣削加工中心铣削出T型槽的纵槽，如图7所示。

4、去除PMMA：把加工好的钛合金工件置于四氢呋喃溶剂(纯度＞99％)，并在超声波清洗机中，溶解10分钟左右(注意通风)，用棉棒轻柔擦拭涂层表面，可去除大块涂层。再把工件置于四氢呋喃溶剂腐蚀二十分钟左右。随后把工件放在水中冲洗，低温下烘干，得到被加工零件。如图8所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.表面涂覆PMMA抑制微细切削加工过程中毛刺产生的方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）配制PMMA胶体：在20~35℃下，将聚甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂按照质量比为1.2~1.4：1混合均匀，反应时间5~20min，制成PMMA胶体；

（2）涂覆PMMA：把配制好的PMMA胶体涂覆在待加工工件表面；

（3）加工：利用微机床加工中心加工涂覆PMMA的工件材料；

（4）去除PMMA：把加工好的工件置于有机溶剂中溶解，清洗、干燥，得到被加工工件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（1）中，反应温度为25℃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（1）中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的粒度为100μm以下。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（1）中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量15万Mw~16万Mw。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（1）中，所述聚甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂的质量比为1.2：1。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（1）中，所述亚克力固化剂为甲基丙烯酸异丁酯。

7.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（2）中，涂覆时采用涂覆装置进行涂覆，实现均匀涂覆。

8.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（4）中，所述有机溶剂为四氢呋喃丙酮、氯仿或甲苯。

9.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤（4）中，在使用有机溶剂溶解的过程中，采用超声辅助或者升温加快溶解速度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征是：有机溶剂溶解10~15min，擦拭涂层表面，去除大块涂层，再把工件置于有机溶剂腐蚀20~25min，随后把工件放在水中冲洗，低温下烘干，得到被加工工件。