工程塑料的切削性能研究
時(shí)間:2005-07-05
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(guó)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(lái)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(rùn)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(lái)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(guò)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
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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(dāng)切削力較大時(shí)，刀具沿工件表面走過(guò)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。
脆性的影響
工程塑料可分為熱塑性和熱固性?xún)纱箢?lèi)：熱固性塑料由加熱固化的合成樹(shù)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(shù)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(guò)程與切削脆性金屬類(lèi)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(kāi)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(guò)程與切削塑性金屬類(lèi)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能及切削參數(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。
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(wú)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。圖1為加工不同的工件材料時(shí)工件表面粗糙度Ra與切削速度v之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，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。
1.有機(jī)玻璃 2.纖維塑料
3.增強(qiáng)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(guān)系
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、降低生產(chǎn)成本、保證必要的加工質(zhì)量與刀具耐用度，加工不同的工程塑料時(shí)需采用不同的刀具材料。高速切削工程塑料時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的刀具材料，目前常用的刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、金剛石、陶瓷等。聚晶金剛石(PCD)材料具有高導(dǎo)熱系數(shù)、高硬度、高耐磨性及低摩擦系數(shù)，適用于工程塑料的高速切削。陶瓷材料雖然具有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性等，但脆性大、導(dǎo)熱系數(shù)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(shí)，可按下式計(jì)算最佳切削速度：
| 式中
| CV——刀具材料修正系數(shù)
T——刀具耐用度(min)
ap——切削深度(mm)
f——進(jìn)給量(mm/r)
X、Y、Z——分別為刀具耐用度、切削深度、進(jìn)給量修正指數(shù)
KT、KW——分別為耐用度修正系數(shù)、加工類(lèi)型修正系數(shù) |
2) 進(jìn)給量和切削深度
進(jìn)給量和切削深度的增加不僅可以縮短切削時(shí)間、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且增加了切削層面積和散熱體積，從而改善了切削區(qū)的散熱條件，所以進(jìn)給量和切削深度的增加對(duì)切削溫度的影響不大。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)進(jìn)給量和切削深度的取值范圍不同時(shí)，刀具磨損量也不同。圖2、圖3分別為用硬質(zhì)合金刀具加工工程塑料時(shí)進(jìn)給量和切削深度對(duì)刀具磨損的影響曲線(xiàn)圖。從圖2可以看出，當(dāng)進(jìn)給量f>0.41mm/r時(shí)刀具磨損量較大，當(dāng)f<0.41mm/r時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加刀具磨損量減少。因此，粗加工時(shí)為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及保證一定的刀具耐用度，可取較大的進(jìn)給量。另一方面，進(jìn)給量增加也會(huì)使工件表面殘留面積增大，造成表面粗糙度Ra值增加，同時(shí)由于切削層面積的增加，切削力也會(huì)明顯增加，所以精加工時(shí)一般應(yīng)取較小的進(jìn)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(jìn)給量對(duì)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(duì)刀具磨損的影響
從圖3可以看出，當(dāng)切削深度較小(ap<1.5mm)時(shí)，刀具磨損量較大，而當(dāng)ap>2mm時(shí)，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(wú)限制地增大切削深度，因?yàn)樵谇邢鞴こ趟芰蠒r(shí)，切削深度對(duì)切削力影響最大，由于工程塑料的彈性模量較大，當(dāng)切削力較大時(shí)，刀具走過(guò)后工件會(huì)產(chǎn)生回彈，造成工件變形而影響加工質(zhì)量。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中要根據(jù)不同的工件材料和加工要求合理選擇切削深度。
采用硬質(zhì)合金刀具加工各種熱固性工程塑料時(shí)的切削參數(shù)推薦值見(jiàn)表1。
表1 熱固性工程塑料的切削參數(shù)
| 工件材料
| 切削速度(m/min)
| 進(jìn)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(jié)論
在切削工程塑料時(shí)，切削速度對(duì)工件加工質(zhì)量和刀具耐用度影響最大。高速切削工程塑料時(shí)，由于材料導(dǎo)熱系數(shù)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(zhì)量和刀具耐用度，應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的刀具材料同時(shí)采用冷卻劑(如壓縮空氣)進(jìn)行冷卻。
進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削溫度的影響較小。隨著進(jìn)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(duì)切削力影響最大，由于工程塑料的彈性模量較大，當(dāng)切削力較大時(shí)，加工后工件會(huì)產(chǎn)生回彈，造成工件變形而影響加工質(zhì)量。因此，應(yīng)根據(jù)不同的工件材料和加工要求合理選擇切削深度。
