工程塑料的切削性能研究

1引言

由于非金屬材料具有一些優(yōu)于金屬材料的獨(dú)特性能，所以在我國現(xiàn)代化建設(shè)特別是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，其應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用數(shù)量均以較高的速度不斷擴(kuò)大。工程塑料是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的材料之一，工程塑料密度小，耐酸、堿及有機(jī)溶劑腐蝕，具有良好的絕緣性、耐磨性、減震性和自潤性，可用于許多金屬和其他非金屬材料所不能勝任的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)今后工程塑料在工程材料中所占的比例會(huì)越來越大。工程塑料制品的制造除了直接成型以外，對(duì)某些幾何形狀、尺寸精度和表面加工質(zhì)量要求較高的工程塑料制品，往往需要進(jìn)行切削加工。由于工程塑料的物理、機(jī)械性能與金屬材料的物理、機(jī)械性能有著較大的差異，所以工程塑料的切削機(jī)理與金屬材料的切削機(jī)理有較大的不同，這樣就使得切削參數(shù)、刀具材料等的選擇原則也有較大的區(qū)別。本文通過分析工程塑料的性能對(duì)其切削加工性的影響及切削參數(shù)對(duì)工件加工質(zhì)量和刀具耐用度的影響，提出了切削參數(shù)合理選擇的原則。

2工程塑料的性能對(duì)切削加工的影響

2.1熱性能的影響

工程塑料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，一般僅為金屬的1/175～1/450，因此切削過程中的散熱條件很差，刀具與工件之間由于摩擦所產(chǎn)生的熱量通過工件傳遞走的比例較少，致使切削區(qū)形成局部高溫導(dǎo)致刀具發(fā)生塑性破損、刃口變鈍。工程塑料的熱膨脹系數(shù)大（一般比金屬大1.5～2倍），切削區(qū)的局部高溫將使被加工零件的體積膨脹導(dǎo)致其尺寸精度及形狀精度下降，同時(shí)零件的體積膨脹加劇了刀具與被加工零件之間摩擦熱的產(chǎn)生，引起切削溫度的進(jìn)一步增高，導(dǎo)致工件因過熱而燒焦或熔化造成廢品。為了避免上述情況，應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的刀具材料，提高從刀具中傳走的切削熱的比例，或者在加工過程中采用冷卻劑（常用的冷卻劑有壓縮空氣等）。

2.2彈性模量的影響

一些工程塑料的彈性模量較高，當(dāng)切削力較大時(shí)，刀具沿工件表面走過后工件將產(chǎn)生回彈，造成工件變形，導(dǎo)致尺寸精度及位置精度下降。為避免這種情況，應(yīng)采用較鋒利的刀具并以較小的切削深度進(jìn)行切削。

2.3脆性的影響

工程塑料可分為熱塑性和熱固性兩大類：熱固性塑料由加熱固化的合成樹脂所制成，固化后的塑料質(zhì)地堅(jiān)硬，加熱后不能使它軟化也不具有可塑性；熱塑性材料由經(jīng)多次反復(fù)加熱仍具有可塑性的合成樹脂制成，這種材料遇熱后即軟化或熔化，冷卻時(shí)又凝固堅(jiān)硬。

因此，在切削熱固性工程塑料時(shí)，其切削過程與切削脆性金屬類似，切屑變形時(shí)不存在塑性變形區(qū)，形成的切屑為高速脫落的崩碎切屑。在刀具切入切出時(shí)工件表面會(huì)出現(xiàn)崩落現(xiàn)象。切削力或刀尖圓弧半徑較大時(shí)工件易開裂，工件表面出現(xiàn)銀絲裂紋。因此，在加工脆性較大的熱固性工程塑料時(shí)，應(yīng)選擇較鋒利的刀具。在切削熱塑性工程塑料時(shí)，由于摩擦導(dǎo)致工件發(fā)熱，使其具有一定的塑性，從而形成帶狀切屑，其切削過程與切削塑性金屬類似。由于熱固性塑料比熱塑性塑料加工難度大，所以本文重點(diǎn)分析熱固性工程塑料的切削加工性及切削參數(shù)的合理選擇。

3切削參數(shù)的合理選擇

實(shí)際生產(chǎn)中提高加工質(zhì)量、降低加工成本或提高生產(chǎn)率三者之間往往是彼此矛盾的。當(dāng)工件材料、刀具、機(jī)床都確定后，切削參數(shù)(即切削速度、進(jìn)給量、切削深度)的合理選取對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證零件的加工質(zhì)量及必要的刀具耐用度具有重要的意義。

3.1切削速度

在切削工程塑料時(shí)，提高切削速度可以縮短切削時(shí)間、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，且切削力變化不大，但切削速度的增加會(huì)使刀具后刀面與已加工表面之間的摩擦加劇，單位時(shí)間內(nèi)的摩擦功和彈性變形功也增大，導(dǎo)致切削熱增加。由于工件的導(dǎo)熱系數(shù)低、散熱條件差，切削熱的增加會(huì)使切削區(qū)的溫度急劇升高，導(dǎo)致工件表面燒焦或分解；同時(shí)由于工程塑料的熱膨脹系數(shù)較高將使工件產(chǎn)生熱變形。這樣將造成工件的加工精度與加工質(zhì)量下降，同時(shí)刀尖會(huì)因無法承受切削高溫而發(fā)生燒蝕或急劇磨損。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)切削速度在某一范圍內(nèi)時(shí)，切削速度對(duì)工件表面粗糙度也有一定的影響。從加工不同工件材料時(shí)工件表面粗糙度Ra與切削速度v之間的關(guān)系曲線圖可以看出，在低速范圍內(nèi)隨著切削速度的增加，工件表面粗糙度下降較明顯，在v≈45～50m/min時(shí)，表面粗糙度Ra達(dá)到最小值，之后隨著v的增加，Ra也增大；而當(dāng)高速切削（v>100～150m/min）時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度Ra的影響比較小。

從上述分析可以看出，高速切削對(duì)工件加工質(zhì)量與刀具耐用度的影響很大，但對(duì)表面粗糙度和切削力的影響較小。為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降

切削速度

提高切削速度可以縮短切削時(shí)間，提高生產(chǎn)率，且切削力不會(huì)增大，塑件表面粗糙度也幾乎不受切削速度的影響。但切削速度增加會(huì)使切削溫度明顯升高，塑件會(huì)產(chǎn)生熱膨脹和熱變形，甚至變色，影響加工質(zhì)量，且刀具磨損加劇、耐用度降低(切削速度提高10%,刀具耐用度會(huì)縮短為原來的40%～60%)，這樣使換刀、磨刀、對(duì)刀調(diào)整等輔助時(shí)間增加，生產(chǎn)率反而有所下降，因此要控制切削速度。常用塑料加工時(shí)的切削速度參見表2。

表2 切削常用塑料的切削用量塑料材切削速進(jìn)給切削深度量度料(mm)

塑料材料 切削速度

(mm/min) 進(jìn)給量

(mm/r) 切削深度

(mm)

聚甲醛 120～180 0.1～0.25 0.12～0.5

聚酰胺 150～180 0.05～0.38 0.12～0.5

聚碳酸脂 150～300 0.12～0.5 0.12～0.5

聚烯烴、聚四氟乙烯 90～225 0.05～0.25 0.12～0.5

聚苯乙烯 230～300 0.03～0.1 -

酚醛層壓塑料 150～600 0.1～0.25 -0.25～0.75

玻璃纖維酚醛層壓塑料 45～60 ∠0.25 -

有機(jī)玻璃 15～80 0.1～0.25 -0.15～0.2

進(jìn)給量和切削深度

進(jìn)給量和切削深度增大時(shí)也使切削加工時(shí)間縮短，且因改善了散熱條件，切削溫度和刀具耐用度下降不大，不會(huì)使換刀、磨刀等輔助時(shí)間明顯增加，故可提高生產(chǎn)率。但隨著進(jìn)給量和切削深度的增加，切削力會(huì)顯著增大(進(jìn)給量增大一倍，切削力約增大70%～80%，切削深度增大一倍，切削力幾乎成倍增加)，易使塑件產(chǎn)生變形而影響加工質(zhì)量，甚至使工件報(bào)廢。塑件表面粗糙度值還會(huì)隨進(jìn)給量的增大而增大，因此加工時(shí)應(yīng)選擇合適的進(jìn)給量和切削深度。切削常用塑料的進(jìn)給量和切削深度參見表2。