工程塑料的切削性能研究

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1/175～1/450，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(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，同时刀尖会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。

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。从加工不同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。

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

切削速度

提高切削速度可以缩短切削时间，提高生产率，且切削力不会增大，塑件表面粗糙度也几乎不受切削速度的影响。但切削速度增加会使切削温度明显升高，塑件会产生热膨胀和热变形，甚至变色，影响加工质量，且刀具磨损加剧、耐用度降低(切削速度提高10%,刀具耐用度会缩短为原来的40%～60%)，这样使换刀、磨刀、对刀调整等辅助时间增加，生产率反而有所下降，因此要控制切削速度。常用塑料加工时的切削速度参见表2。

表2 切削常用塑料的切削用量塑料材切削速进给切削深度量度料(mm)

塑料材料 切削速度

(mm/min) 进给量

(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

聚烯烃、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 -

酚醛层压塑料 150～600 0.1～0.25 -0.25～0.75

玻璃纤维酚醛层压塑料 45～60 ∠0.25 -

有机玻璃 15～80 0.1～0.25 -0.15～0.2

进给量和切削深度

进给量和切削深度增大时也使切削加工时间缩短，且因改善了散热条件，切削温度和刀具耐用度下降不大，不会使换刀、磨刀等辅助时间明显增加，故可提高生产率。但随着进给量和切削深度的增加，切削力会显著增大(进给量增大一倍，切削力约增大70%～80%，切削深度增大一倍，切削力几乎成倍增加)，易使塑件产生变形而影响加工质量，甚至使工件报废。塑件表面粗糙度值还会随进给量的增大而增大，因此加工时应选择合适的进给量和切削深度。切削常用塑料的进给量和切削深度参见表2。