工程塑料的切削性能研究
時間:2005-07-05
1 引言
由于非金屬材料具有一些優于金屬材料的獨特性能，所以在我國現代化建設特別是高新技術產業中發揮著越來越重要的作用，其應用領域與應用數量均以較高的速度不斷擴大。工程塑料是發展最快、應用最廣的材料之一，工程塑料密度小，耐酸、堿及有機溶劑腐蝕，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用場合。隨著科學技術的發展，預計今后工程塑料在工程材料中所占的比例會越來越大。工程塑料制品的制造除了直接成型以外，對某些幾何形狀、尺寸精度和表面加工質量要求較高的工程塑料制品，往往需要進行切削加工。由于工程塑料的物理、機械性能與金屬材料的物理、機械性能有著較大的差異，所以工程塑料的切削機理與金屬材料的切削機理有較大的不同，這樣就使得切削參數、刀具材料等的選擇原則也有較大的區別。本文通過分析工程塑料的性能對其切削加工性的影響及切削參數對工件加工質量和刀具耐用度的影響，提出了切削參數合理選擇的原則。
2 工程塑料的性能對切削加工的影響
熱性能的影響
工程塑料的導熱系數很低，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生的熱量通過工件傳遞走的比例較少，致使切削區形成局部高溫導致刀具發生塑性破損、刃口變鈍。工程塑料的熱膨脹系數大(一般比金屬大1.5～2倍)，切削區的局部高溫將使被加工零件的體積膨脹導致其尺寸精度及形狀精度下降，同時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生，引起切削溫度的進一步增高，導致工件因過熱而燒焦或熔化造成廢品。為了避免上述情況，應采用導熱系數較高的刀具材料，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)。
彈性模量的影響
一些工程塑料的彈性模量較高，當切削力較大時，刀具沿工件表面走過后工件將產生回彈，造成工件變形，導致尺寸精度及位置精度下降。為避免這種情況，應采用較鋒利的刀具并以較小的切削深度進行切削。
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，固化后的塑料質地堅硬，加熱后不能使它軟化也不具有可塑性；熱塑性材料由經多次反復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，冷卻時又凝固堅硬。
因此，在切削熱固性工程塑料時，其切削過程與切削脆性金屬類似，切屑變形時不存在塑性變形區，形成的切屑為高速脫落的崩碎切屑。在刀具切入切出時工件表面會出現崩落現象。切削力或刀尖圓弧半徑較大時工件易開裂，工件表面出現銀絲裂紋。因此，在加工脆性較大的熱固性工程塑料時，應選擇較鋒利的刀具。在切削熱塑性工程塑料時，由于摩擦導致工件發熱，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，所以本文重點分析熱固性工程塑料的切削加工性能及切削參數的合理選擇。
3 切削參數的合理選擇
實際生產中提高加工質量、降低加工成本或提高生產率三者之間往往是彼此矛盾的。當工件材料、刀具、機床都確定后，切削參數(即切削速度、進給量、切削深度)的合理選取對提高生產效率、降低生產成本、保證零件的加工質量及必要的刀具耐用度具有重要的意義。
1) 切削速度
在切削工程塑料時，提高切削速度可以縮短切削時間、提高勞動生產率，且切削力變化不大，但切削速度的增加會使刀具后刀面與已加工表面之間的摩擦加劇，單位時間內的摩擦功和彈性變形功也增大，導致切削熱增加。由于工件的導熱系數低、散熱條件差，切削熱的增加會使切削區的溫度急劇升高，導致工件表面燒焦或分解；同時由于工程塑料的熱膨脹系數較高將使工件產生熱變形。這樣將造成工件的加工精度與加工質量下降，同時刀尖會因無法承受切削高溫而發生燒蝕或急劇磨損。
實驗證明，當切削速度在某一范圍內時，切削速度對工件表面粗糙度也有一定的影響。圖1為加工不同的工件材料時工件表面粗糙度Ra與切削速度v之間的關系曲線圖。從圖中可以看出，在低速范圍內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，表面粗糙度Ra達到最小值，之后隨著v的增加Ra也增大；而當高速切削(v>100～150m/min)時，切削速度對表面粗糙度Ra的影響比較小。
1.有機玻璃 2.纖維塑料
3.增強纖維塑料 4.織物布層壓塑料
圖1 加工表面粗糙度與切削速度的關系
從上述分析可以看出，高速切削對工件加工質量與刀具耐用度的影響很大，但對表面粗糙度和切削力的影響較小。為了提高勞動生產率、降低生產成本、保證必要的加工質量與刀具耐用度，加工不同的工程塑料時需采用不同的刀具材料。高速切削工程塑料時，應采用導熱系數較高的刀具材料，目前常用的刀具材料有高速鋼、硬質合金、金剛石、陶瓷等。聚晶金剛石(PCD)材料具有高導熱系數、高硬度、高耐磨性及低摩擦系數，適用于工程塑料的高速切削。陶瓷材料雖然具有優良的耐磨性、耐熱性等，但脆性大、導熱系數低，使用上受到一定的限制。
使用不同的刀具材料切削各種工程塑料時，可按下式計算最佳切削速度：
| 式中
| CV——刀具材料修正系數
T——刀具耐用度(min)
ap——切削深度(mm)
f——進給量(mm/r)
X、Y、Z——分別為刀具耐用度、切削深度、進給量修正指數
KT、KW——分別為耐用度修正系數、加工類型修正系數 |
2) 進給量和切削深度
進給量和切削深度的增加不僅可以縮短切削時間、提高勞動生產率，而且增加了切削層面積和散熱體積，從而改善了切削區的散熱條件，所以進給量和切削深度的增加對切削溫度的影響不大。同時，實驗證明，當進給量和切削深度的取值范圍不同時，刀具磨損量也不同。圖2、圖3分別為用硬質合金刀具加工工程塑料時進給量和切削深度對刀具磨損的影響曲線圖。從圖2可以看出，當進給量f>0.41mm/r時刀具磨損量較大，當f<0.41mm/r時，隨著進給量的增加刀具磨損量減少。因此，粗加工時為了提高勞動生產率及保證一定的刀具耐用度，可取較大的進給量。另一方面，進給量增加也會使工件表面殘留面積增大，造成表面粗糙度Ra值增加，同時由于切削層面積的增加，切削力也會明顯增加，所以精加工時一般應取較小的進給量。
1.玻璃纖維(v=150m/min)
2.酚醛(v=300m/min)
3.石棉層壓塑料(v=500m/min)
圖2 進給量對刀具磨損的影響
1.石棉層壓塑料(v=300m/min)
2.織物布層壓塑料(v=400m/min)
3.酚醛(v=150m/min)
圖3 切削深度對刀具磨損的影響
從圖3可以看出，當切削深度較小(ap<1.5mm)時，刀具磨損量較大，而當ap>2mm時，刀具磨損量幾乎不隨切削深度的增加而變化。但并非可以無限制地增大切削深度，因為在切削工程塑料時，切削深度對切削力影響最大，由于工程塑料的彈性模量較大，當切削力較大時，刀具走過后工件會產生回彈，造成工件變形而影響加工質量。因此，在實際生產中要根據不同的工件材料和加工要求合理選擇切削深度。
采用硬質合金刀具加工各種熱固性工程塑料時的切削參數推薦值見表1。
表1 熱固性工程塑料的切削參數
| 工件材料
| 切削速度(m/min)
| 進給量(mm/r)
| 切削深度(mm)
|
| 粗加工
| 精加工
| 粗加工
| 精加工
| 粗加工
| 精加工
|
| 酚醛
| 80-160
| 150-300
| 0.2-0.35
| 0.1-0.2
| 2.0-3.0
| 0.5-2.0
|
| 酚基塑料
| 400-500
| 600-800
| 0.1-0.3
| 0.05-0.1
| 1.5-3.0
| 0.5-1.5
|
| 氨基塑料
| 200-450
| 500-600
| 0.08-0.25
| 0.05-0.1
| 1.5-3.0
| 0.5-1.0
|
| 纖維塑料
| 300-450
| 500-600
| 0.1-0.2
| 0.05-0.1
| 3.0-5.0
| 1.0-2.5
|
| 織物布層壓塑料
| 90-180
| 300-800
| 0.1-0.5
| 0.08-0.2
| 3.0-5.0
| 0.5-1.5
|
| 玻璃布層壓塑料
| 90-100
| 120-160
| 0.1-0.2
| 0.06-0.10
| 2.0-3.5
| 0.5-2.0 |
4 結論
在切削工程塑料時，切削速度對工件加工質量和刀具耐用度影響最大。高速切削工程塑料時，由于材料導熱系數低、散熱條件差，為避免切削溫度急劇升高影響工件的加工質量和刀具耐用度，應采用導熱系數較高的刀具材料同時采用冷卻劑(如壓縮空氣)進行冷卻。
進給量和切削深度對切削溫度的影響較小。隨著進給量和切削深度的增加刀具耐用度將有所增加。切削深度對切削力影響最大，由于工程塑料的彈性模量較大，當切削力較大時，加工后工件會產生回彈，造成工件變形而影響加工質量。因此，應根據不同的工件材料和加工要求合理選擇切削深度。
