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工程塑料与复合材料的切削加工5 d) J( j* R) x, [6 N
| 关键字：切削加工 |
3 w/ b& L* Y. w$ l+ g | | 塑料 1.什么是塑料？它由哪些成分组成？, F( i1 l/ r. v, z, M: i) w
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塑料是以树脂为主体，加入填料(也叫增强剂)和添加剂，在加热加压下制成的高分子有机材料。 4 K; l' W4 V+ s/ d9 Q/ N0 C
在现代工业中，塑料正日益广泛地代替钢材、铜材、铝材等材料，来制造电器、机床、仪表、轴承、管接头、汽车、航天等配件。一部分精度不高的零件，不需加工。但相当一部分零件，为了达到加工精度和表面质量要求，必须采用机械加工的方法。 ' ~) T% a. f& B J" U* x
塑料是由树脂、填料和添加剂三部分组成的。树脂是塑料的基本成分，起粘接作用，占全部组成的40％～100％。填料是用于改善塑料的物理力学性能的重要组成部分。填料有粉状填料(木粉、云母粉、滑石粉)、纤维状填料(玻璃纤维、亚麻、线等)、片状填料(棉布、麻布、玻璃布等)。以纤维作填料的塑料，具有高的强度。添加剂虽然在塑料中占的比重不大，但是必不可少。添加剂主要有固化剂、增塑剂、润滑剂和着色剂。
( X* ^( h/ y" }0 g$ U! m塑料 2.塑料分哪几类？各有什么特点？' e9 d; l( z8 @; D# f5 a* H
(1)塑料按树脂性质分：可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。0 z, N% s: |$ C, Y7 k% [& i
①热塑性塑料。这类塑料遇热熔化或软化，冷却后又变硬，此过程可以多次反复。热塑性塑料有聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯及其共聚体ABS、尼龙、聚甲醛、聚碳酸脂、氯化聚醚、聚苯醚和聚砜等。它们都具有一定的物理力学性能。还有些品种如氟塑料、聚酰亚胺等，具有非常好的耐腐蚀性、优良的绝缘性和较低的摩擦系数。热塑性塑料的耐热性和刚性较低。8 m z" {0 a" M
②热固性塑料。在一定温度下，这类塑料经过一段时间加热，再加入固化剂，即可固化。固化的塑料，质地坚硬，不溶解于溶剂中，加热也不使它软化，不再有可塑性。如果温度过高它也会分解。热固性塑料有酚醛、不饱和聚酯、氨基、环氧、呋喃、有机硅树酯和PDAP等。这类塑料的耐热性较好，不易受压变形。
+ L7 U: c! z$ P( R(2)塑料按成形的方法分：可分为压塑料和层压塑料。
0 v4 R" j$ t+ P6 w; f①压塑料。通常称为胶(电)木，它是以热塑性树脂或热固性树脂及填料为基础配置成的粉末状或纤维状半成品，再由使用厂用压塑的方法，制成各种零件或型材。! b0 J' I5 r1 W s5 G5 J; e
②层压塑料。它是片状的填料，如纸、棉布、玻璃布等，在合成的树脂浸渍后，用层压法压制成塑料。层压塑料有胶纸板、胶布板、玻璃胶布板及管材、棒材等。这种塑料通过机械加工后，广泛用来制造各种零件。# }6 s3 \; J5 X) |6 _( \
塑料 3.塑料有哪些特性和切削特点？
( Y+ @6 O3 u6 C& J; V* O2 T(1)塑料具有的特性
( V4 j A, Z, h+ H①相对密度小。它的相对密度只有钢铁的1/8～1/4，是铝的1/2左右。这一特性，对重量要求轻的航天、航空、船舶、汽车等工业有特别重要的意义。
) g; u" M: r) q! P& r②良好的电绝缘性。几乎所有的塑料都有优良的电绝缘及耐电弧特性。它可以和陶瓷、橡胶等绝缘材料相比美，广泛用于电子、电机和电器工业中。. q5 o' {/ L9 E$ a
③优良的化学惰性。它对酸、碱等化学物质有良好的抗腐蚀能力。这对于化学工业抗腐蚀的设备，是良好的材料。
9 g* {2 o: g" L, w {; V④极低的导热系数。塑料的导热系数只有钢的l/175～1/450，可以用来作隔热材料。4 I: O# ~! Z9 n7 l( q7 ~
⑤较高的比强度。若按重量来计算强度，则有的塑料(层压塑料、玻璃钢)是现代材料最高的。玻璃纤维为基材的比强度比Q235钢高5倍，比高强度铝高2倍。; c8 ^# C, `/ I1 j% ~$ ?4 F9 A9 M
⑥优良的减磨、耐磨性能。有许多塑料的摩擦系数很小，可用来制造机床导轨、轴承、无油密封环、齿轮等。尤其在有磨粒、杂质的条件下，此性能更为优越。8 k6 r3 \$ p3 G- a$ l% q
⑦优良的吸震和消声性能。塑料的这一特性，使得它可以被用来制造高速旋转的轴承、齿轮等零件，以减小噪声。
& G% w2 T% y5 [6 v) q(2)塑料切削时的特点：精度要求较高的塑料零件和批量小的塑料零件，一般采用机械加工，在切削时有以下特点：
; g& U) \6 K, b! S3 u* S①切削力小、导热性和耐热性差。塑料的硬度和强度低，切削力比切削金属小6～7倍。由于它的导热系数小，耐热性只有100℃～250℃，因此不能采用较高的切削速度，以防止软化、粘刀而影响工件表面质量。2 `! f; G2 x$ c. f6 h6 I+ v
②组织、硬度、强度不均匀，回弹性强，尺寸精度不易控制。塑料是由多种成分组成的，组织极不均匀，特别是层压塑料更为严重。所以，在切削时刀具刃口要锋利、耐磨。
. l" p+ t5 p+ S0 D$ P* h. g③刀具磨损严重，切削时易脆性开裂。很多塑料，如酚醛塑料、玻璃钢等，在切削时，玻璃织物填料难于切削，刀具很快被磨损，而失去切削能力。在切削力作用下和刀具磨钝后，挤压作用大，切入切出处易发生开裂和崩边。
" m: I, B8 E! z1 D④热膨胀系数大。它的热膨胀系数是一般金属的3～4倍，影响尺寸的稳定性，给切削加工带来一定的困难。8 z: p+ O/ h4 |- _# ~, n0 ^
⑤断屑困难。在车削和钻削热塑性塑料时，切屑呈带状，易缠绕在工件或刀具上，有时挤压成硬团，影响工作的顺利进行，破坏已加工表面质量。$ h" Z1 s' V% o
塑料 4.塑料在性能上有哪些不足之处？
* K. v1 }( G* R' B7 k6 [( _(1)塑料的耐热性低：一般的情况下，塑料只能在80℃～120℃温度下工作。当受力较大时，只能在60℃～80℃左右条件下工作。只有少数的塑料，如氟塑料、聚苯醚、聚砜、聚酰亚胺等，可在150℃以上工作。有的塑料零件还可以在260℃～270℃下长期工作。上述特性影响塑料的利用范围。
% [% m6 H! _2 f6 b8 w: C(2)热膨胀系数大：塑料的膨胀系数是一般金属的3～4倍，这样使零件在使用和切削过程中尺寸变化较大，影响尺寸的稳定性。尤其在使用定尺寸刀具时，应考虑其热胀冷缩的变化规律。- |4 }- f9 H' {9 G
(3)导热性差：由于导热性差，切削区热量不易传出，造成切削温度升高，加剧刀具磨损，并使加工材料软化。某些塑料因切削温度高而造成半熔化状态，形成加工表面一层半熔化的被切材料，破坏已加工表面质量。
+ @3 R2 e2 c$ |2 G5 G: c8 B6 \0 p(4)蠕变性：塑料零件在工作时，承受载荷后会产生塑性变形。
4 I6 w3 Q8 K4 z4 H(5)老化现象：塑料长期在日光、大气、机械应力或某些介质的作用下，会产生氧化、变色、开裂及机械强度下降等现象。这是长期使用的塑料零件要注意的缺陷。* T4 i1 x- z* S* |
热塑性塑料 5.怎样车削热塑性塑料？; H0 N( O2 M, p. r+ [9 U
在车削聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、氟塑料、有机玻璃、聚乙烯、树脂等热塑性塑料时，要根据它们各自的特点和加工要求，来选择切削条件。7 S3 Q, `; i4 h, H' O* r* G5 l
(1)刀具材料：由于这类材料的硬度低，切削力小，应选能磨出锋利的刀具刃口的刀具材料，如淬火后的碳素工具钢、合金工具钢、高速钢和钨钴类细颗粒硬质合金。精密加工时可选金刚石车刀。
; Q7 X4 q$ j$ U' q# p(2)刀具几何参数：它的选择要根据塑料各自的特点，一般情况下，前角γO=15º～25º，硬质合金刀具取小值。由于热塑性塑料的弹性模量小，弹性恢复大，应选用较大的后角，γO=10º～14º，主偏角Κr=45º～90º，刃倾角λs=3º～5º，刀尖圆弧半径rε=1～2mm，成形刀的前角γO=0º。各刀面的粗糙度Ra应小于0.4μm。3 a$ V: F7 b$ ?+ L' b8 G7 x! L1 J! x: M
(3)切削用量：车削热塑性塑料时的切削用量，应从以下因素考虑：由于它的软化温度低，限制了切削时切削速度的提高，只要材料不软化，钻孔时切屑不因软化堵在孔中，则应选用较高的切削速度，以提高生产率，吃刀深度的大小主要根据工件余量、工件刚性和变形来选取，以免影响加工精度；进给量的大小，主要受表面质量、振动和工件变形的影响，为了保证加工质量，精加工时应选择小的切削深度和进给量。
8 P0 Y, z1 t# |, Z3 w/ \8 ~热固性塑料产品 6.怎样车削热固性塑料？
. m, a7 z6 r/ F' b. k- r: K/ F车削酚醛、环氧、氨基等热固性塑料时，由于它的耐热性比热塑性塑料高，而且有的塑料强度(玻璃纤维基材的塑料)接近于金属，在切削时形成强烈的磨料磨损。热固性塑料强度大、硬度高、导热性极低，切削区的温度可达600℃，刀具耐用度明显下降。
$ A7 ]% a1 U& c A(1)刀具材料：切削热固性塑料时，由于刀具磨料磨损严重，除采用高速钢和细颗粒钨钴类硬质合金外，应尽量选择人造聚晶金刚石复合片刀具、人选金刚石厚膜钎焊刀具，还可选用热压复合陶瓷刀具，以提高刀具耐用度。# g( S5 _, z! Z" [" T; Z
(2)刀具几何参数：切削热固性塑料时，切屑与刀具前刀面接触面积小，摩擦力小。为了提高刃口强度，应选取较小的前角，一般为γO=5º～10º。金刚石刀具和陶瓷刀具γO=0º～-5º。后角应选择为αO=15º～20º，以防止切削酚醛胶纸、棉布和玻璃纤维层压塑料时有起毛现象。在粗加工时主偏角Κr=45º～75º，精加工时Κr=60º～90º。由于热固性塑料的切屑呈粉末状，切屑对已加工表面影响不大，刃倾角一般选取为λs=-10º～-5º。为了改善散热条件和降低已加工表面粗糙度，刀尖圆弧rε=1.5～3 mm。
1 k( H) A. b* L/ }+ d" c图11-1所示是层压塑料的车刀。! V& m) c6 @/ f3 [ {
(3)切削用量的选择：热固性塑料的种类很多，切削性能各异，材料本身导热系数低，造成切削温度高，主要防止切削速度过高而使材料烧焦变质。在加工有粉状填料的塑料时，应减小进给量和刀具主偏角，以防止材料的崩边。车削热固性塑料的切削用量参考表11-1。在采用金刚石刀具时，可以几十倍地提高刀具耐用度和表面质量。
$ I7 P. N1 Y: L% k: _% I麻花钻头 7.钻削塑料时有何特点？怎样选择钻头的几何参数？
% g* K0 d* P( F塑料的应用范围日益广泛，在机械加工中占有一定的比例，钻孔在塑料加工中又占很大比重。钻头是定尺寸刀具，又是半封闭切削，它的切削特点和金属有些不同，主要表现在以下几方面。+ m, M( W2 B- a1 v) C
首先是钻削时产生涂抹现象。这是因为塑料软化温度低，使变软的塑料切屑涂抹在已加工表面上，并有时产生裂纹，使加工质量下降。其次是钻入钻出时在工件上产生毛刺。再其次是，由于塑料热膨胀系数大，弹性恢复大，钻出的孔产生缩孔现象。- k2 [6 w: X6 u) J. n/ W
钻塑料的钻头，采用标准高速钢麻花钻头和镶焊硬质合金刀片的麻花钻及整体硬质合金钻头。高速钢钻头主要用来钻削热塑性塑料，硬质合金钻头用于钻削热固性塑料。表11-2和表11-3分别是钻削两类塑料钻头的几何参数。
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发表于 2009-5-18 20:12:53
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