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1、收稿日期: 2003 年1 月 工程塑料的切削性能研究 康文利 范孝良 华北电力大学 摘 要: 分析了工程塑料的性能特点及其对切削加工性的影响, 研究了切削参数对工件加工质量和刀具耐用 度的影响, 提出了加工不同的工程塑料时合理选择切削参数的原则。 关键词: 工程塑料, 切削性能, 切削参数, 刀具耐用度 Research on Machinability of Engineering Plastics Kang Wenli Fan xiaoliang Abstract:The performances, the characteristics of engineering plastics
2、andtheir influences on the machinability of engineer- ing plastics are analyzed. The influences of cutting parameters on the quality of workpieces and the tool life are researched. The principles to rationally select the cutting parameterswhenmachining different kinds of engineering plastics are pre
3、sented. Keywords:engineering plastics, machinability, cutting parameters, tool life 1 引言 由于非金属材料具有一些优于金属材料的独特 性能, 所以在我国现代化建设特别是高新技术产业 中发挥着越来越重要的作用, 其应用领域与应用数 量均以较高的速度不断扩大 。工程塑料是发展最 快、 应用最广的材料之一 ,工程塑料密度小,耐酸、碱 及有机溶剂腐蚀 , 具有良好的绝缘性、耐磨性、减震 性和自润性 ,可用于许多金属和其他非金属材料所 不能胜任的应用场合 。随着科学技术的发展, 预计 今后工程塑料在工程材料中所占的比例
4、会越来越 大。工程塑料制品的制造除了直接成型以外, 对某 些几何形状 、 尺寸精度和表面加工质量要求较高的 工程塑料制品, 往往需要进行切削加工。由于工程 塑料的物理、 机械性能与金属材料的物理、 机械性能 有着较大的差异 ,所以工程塑料的切削机理与金属 材料的切削机理有较大的不同 , 这样就使得切削参 数、 刀具材料等的选择原则也有较大的区别。本文 通过分析工程塑料的性能对其切削加工性的影响及 切削参数对工件加工质量和刀具耐用度的影响 , 提 出了切削参数合理选择的原则 。 2 工程塑料的性能对切削加工的影响 2. 1 热性能的影响 工程塑料的导热系数很低, 一般仅为金属的 1/ 175 1
5、/450,因此切削过程中的散热条件很差, 刀具 与工件之间由于摩擦所产生的热量通过工件传递走 的比例较少 ,致使切削区形成局部高温导致刀具发 生塑性破损、刃口变钝 。工程塑料的热膨胀系数大 ( 一般比金属大 1. 5 2倍) ,切削区的局部高温将使 被加工零件的体积膨胀导致其尺寸精度及形状精度 下降 ,同时零件的体积膨胀加剧了刀具与被加工零 件之间摩擦热的产生, 引起切削温度的进一步增高, 导致工件因过热而烧焦或熔化造成废品。为了避免 上述情况,应采用导热系数较高的刀具材料,提高从 刀具中传走的切削热的比例 ,或者在加工过程中采 用冷却剂( 常用的冷却剂有压缩空气等) 。 2. 2 弹性模量的
6、影响 一些工程塑料的弹性模量较高 ,当切削力较大 时 ,刀具沿工件表面走过后工件将产生回弹,造成工 件变形, 导致尺寸精度及位置精度下降 。为避免这 种情况, 应采用较锋利的刀具并以较小的切削深度 进行切削。 2. 3 脆性的影响 工程塑料可分为热塑性和热固性两大类 : 热固 性塑料由加热固化的合成树脂所制成, 固化后的塑 料质地坚硬 ,加热后不能使它软化也不具有可塑性; 热塑性材料由经多次反复加热仍具有可塑性的合成 树脂制成,这种材料遇热后即软化或熔化 ,冷却时又 凝固坚硬。 因此,在切削热固性工程塑料时 ,其切削过程与 切削脆性金属类似 ,切屑变形时不存在塑性变形区, 形成的切屑为高速脱落
7、的崩碎切屑。在刀具切入切 出时工件表面会出现崩落现象。切削力或刀尖圆弧 半径较大时工件易开裂, 工件表面出现银丝裂纹。 因此,在加工脆性较大的热固性工程塑料时,应选择 较锋利的刀具 。在切削热塑性工程塑料时 ,由于摩 擦导致工件发热, 使其具有一定的塑性,从而形成带 28 工 具 技 术 状切屑 ,其切削过程与切削塑性金属类似。由于热 固性塑料比热塑性塑料加工难度大 ,所以本文重点 分析热固性工程塑料的切削加工性能及切削参数的 合理选择 。 3 切削参数的合理选择 实际生产中提高加工质量 、 降低加工成本或提 高生产率三者之间往往是彼此矛盾的。当工件材 料、 刀具、机床都确定后, 切削参数(
8、即切削速度 、进 给量、 切削深度) 的合理选取对提高生产效率、降低 生产成本、保证零件的加工质量及必要的刀具耐用 度具有重要的意义。 3. 1 切削速度 在切削工程塑料时, 提高切削速度可以缩短切 削时间、 提高劳动生产率 , 且切削力变化不大, 但切 削速度的增加会使刀具后刀面与已加工表面之间的 摩擦加剧, 单位时间内的摩擦功和弹性变形功也增 大,导致切削热增加 。由于工件的导热系数低 、 散热 条件差,切削热的增加会使切削区的温度急剧升高 , 导致工件表面烧焦或分解; 同时由于工程塑料的热 膨胀系数较高将使工件产生热变形 。这样将造成工 件的加工精度与加工质量下降 , 同时刀尖会因无法
9、承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。 1 .有机玻璃 2 .纤维塑料 3 .增强纤维塑料 4 .织物布层压塑料 图 1 加工表面粗糙度与切削速度的关系 实验证明, 当切削速度在某一范围内时, 切削速 度对工件表面粗糙度也有一定的影响。图 1为加工 不同的工件材料时工件表面粗糙度 Ra与切削速度 v 之间的关系曲线图 。从图中可以看出 , 在低速范 围内随着切削速度的增加工件表面粗糙度下降较明 显,在 v 45 50m/min 时, 表面粗糙度 Ra达到最小 值,之后随着 v 的增加 Ra也增大 ; 而当高速切削( v 100 150m/min) 时 ,切削速度对表面粗糙度 Ra的 影响比较小。
10、从上述分析可以看出, 高速切削对工件加工质 量与刀具耐用度的影响很大, 但对表面粗糙度和切 削力的影响较小 。为了提高劳动生产率 、降低生产 成本、 保证必要的加工质量与刀具耐用度 ,加工不同 的工程塑料时需采用不同的刀具材料 。高速切削工 程塑料时,应采用导热系数较高的刀具材料,目前常 用的刀具材料有高速钢 、 硬质合金、 金刚石 、 陶瓷等。 聚晶金刚石( PCD) 材料具有高导热系数、高硬度 、 高 耐磨性及低摩擦系数, 适用于工程塑料的高速切削。 陶瓷材料虽然具有优良的耐磨性 、 耐热性等,但脆性 大 、 导热系数低,使用上受到一定的限制。 使用不同的刀具材料切削各种工程塑料时 ,可
11、按下式计算最佳切削速度: v = Cv TxaypfzKTKW 式中 Cv 刀具材料修正系数 T 刀具耐用度( min) ap 切削深度( mm) f 进给量( mm/r) x 、y 、z 分别为刀具耐用度 、 切削深度 、 进 给量修正指数 KT、 Kw 分别为耐用度修正系数 、加工类 型修正系数 3. 2 进给量和切削深度 进给量和切削深度的增加不仅可以缩短切削时 间 、 提高劳动生产率,而且增加了切削层面积和散热 体积,从而改善了切削区的散热条件 ,所以进给量和 切削深度的增加对切削温度的影响不大。同时, 实 验证明 ,当进给量和切削深度的取值范围不同时 ,刀 具磨损量也不同。图 2、图
12、 3 分别为用硬质合金刀 具加工工程塑料时进给量和切削深度对刀具磨损的 影响 曲线图 。从图 2 可 以看出 , 当进 给量 f 0. 41mm/r 时, 随着进给量的增加刀具磨损量减少 。 因此 , 粗加工 1. 玻璃纤维( v =150m/min ) 2. 酚醛( v =300m/min) 3. 石棉层压塑料( v =500m /min) 图 2 进给量对刀具磨损的影响 29 2003 年第 37卷10 时为了提高劳动生产率及保证一定的刀具耐用度 , 可取较大的进给量。另一方面 , 进给量增加也会使 工件表面残留面积增大, 造成表面粗糙度 Ra值增 加,同时由于切削层面积的增加,切削力也会
13、明显增 加,所以精加工时一般应取较小的进给量。 从图 3 可以 看出, 当 切削深 度较 小( ap2mm 时 ,刀具 磨损量几乎不随切削深度的增加而变化 。但并非可 以无限制地增大切削深度 ,因为在切削工程塑料时 , 切削深度对切削力影响最大, 由于工程塑料的弹性 模量较大 ,当切削力较大时,刀具走过后工件会产生 回弹 ,造成工件变形而影响加工质量。因此, 在实际 生产中要根据不同的工件材料和加工要求合理选择 切削深度 。 1 .石棉层压塑料( v =300m/min) 2 .织物布层压塑料( v =400m/min) 3.酚醛( v =150m/min) 图 3 切削深度对刀具磨损的影响
14、采用硬质合金刀具加工各种热固性工程塑料时 的切削参数推荐值见表 1。 表 1 热固性工程塑料的切削参数 工件材料 切削速度( m/min)进给量( 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8 0 1 60 150 30 0 0 . 2 0 . 35 0 . 1 0 . 2 2 . 0 3 . 0 0 . 5 2 . 0 酚基塑料400 50 0 600 80 0 0 . 1 0 . 3 0 . 05 0 . 1 1 . 5 3 . 0 0 . 5 1 . 5 氨基塑料200 45 0 500 60 0 0 . 0 8 0 . 250 . 05 0 .
15、 1 1 . 5 3 . 0 0 . 5 1 . 0 纤维塑料 300 45 0 500 60 0 0 . 1 0 . 2 0 . 05 0 . 1 3 . 0 5 . 0 1 . 0 2 . 5 织物布层压塑料9 0 1 80 300 80 0 0 . 1 0 . 5 0 . 08 0 . 2 3 . 0 5 . 0 0 . 5 1 . 5 玻璃布层压塑料9 0 1 00 120 16 0 0 . 1 0 . 2 0 . 06 0 . 1 2 . 0 3 . 5 0 . 5 2 . 0 4 结论 ( 1) 在切削工程塑料时 ,切削速度对工件加工质 量和刀具耐用度影响最大 。高速切削工程塑料时
16、 , 由于材料导热系数低 、 散热条件差 ,为避免切削温度 急剧升高影响工件的加工质量和刀具耐用度, 应采 用导热系数较高的刀具材料同时采用冷却剂( 如压 缩空气) 进行冷却。 ( 2) 进给量和切削深度对切削温度的影响较小。 随着进给量和切削深度的增加刀具耐用度将有所增 加 。切削深度对切削力影响最大, 由于工程塑料的 弹性模量较大,当切削力较大时 ,加工后工件会产生 回弹,造成工件变形而影响加工质量 。因此,应根据 不同的工件材料和加工要求合理选择切削深度 。 参考文献 1 韩崇第.难加工材料切削加工. 机械工业出版社, 1996 2 范忠仁. 塑料的机械加工. 化学工业出版社, 1994 3 周泽华. 金属切削原理. 上海科学技术出版社, 1985 4 刘占强, 艾兴. 高速切削刀具的发展现状. 工具技术, 2001( 3) 第一作者: 康文利, 硕士, 副教授, 华北电力大学机械系, 071003 河北省保定市 现代模具工业的发展趋势 现
