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特别关注:工程塑料与复合材料的切削加工
2011-4-15
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来源:汽车新材料网
  1.什么是塑料?它由哪些成分组成?
  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。 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。
  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。

  2.塑料分哪几类?各有什么特点?
  (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。
  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。
  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。
  (2)塑料按成形的方法分:可分为压塑料和层压塑料。
  ①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。
  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。           

  3.塑料有哪些特性和切削特点?
 
  (1)塑料具有的特性
  ①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。
  ②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。
  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。
  ④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。
  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。
  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。
  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。
  (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:
  ①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。
  ③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。
  ④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。
  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。                                        
    
  4.塑料在性能上有哪些不足之处?
  (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。
  (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。
  (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。
  (4)蠕变性:塑料零件在工作时,承受载荷后会产生塑性变形。
  (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。  
       
  5.怎样车削热塑性塑料?
  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。
  (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。
  (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)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。    

  6.怎样车削热固性塑料?
  
  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。
  (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。
  (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。                                        

  7.钻削塑料时有何特点?怎样选择钻头的几何参数?
  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。
  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。
  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。                                

  8.怎样加工塑料件的螺纹?
  塑料零件的螺纹加工方法和金属零件上的螺纹加工方法一样,但有它的独特性能,必须在加工过程中注意。
  (1)车削塑料螺纹的刀具必须锋利,以防止车削热塑性塑料的回弹和车削热固性塑料因切削力大而造成崩牙。
  (2)车削热固性塑料螺纹时,要采用小的径向前角或负的刃倾角,并要控制吃刀深度(ap=0.1~0.5mm),增加走刀次数,以保持完整的牙形。
  (3)高速钢丝锥攻丝时,切削速度为3~10m/min;硬质合金丝锥攻丝时,切削速度为20~30m/min。切削液一般选用水或油类。
  (4)为了防止以玻璃纤维为基材的热固性层压塑料在加工螺纹时剥落,减少废品,可在车床上安装一个磨头,进行磨削加工。

  9.怎样车削玻璃钢?
  玻璃钢是以环氧酚醛树脂为粘结剂,玻璃纤维为填料,加入少量配合剂的热固性塑料制品。它的密度小,比强度高,主要成分是SiO2。玻璃丝是由玻璃经过高温熔化高速拉成的,其硬度和强度很高。特别是SiO2含量达90%以上的高硅氧玻璃钢,在切削过程中,这些硬质点具有研磨的性质,使刀具磨损严重,工件起层、掉渣,粉尘严重。树脂因切削温度高而烧焦。车削玻璃钢时,应从以下几方面进行合理选择:
  (1)刀具材料的选择:车削玻璃钢一般采用硬质合金刀具材料,如YW1、YW2、YW3、YG8、YG6X、YG6等。在可能的情况下,最好采用人造聚晶金刚石复合片或立方氮化硼复合片刀具,可以提高刀具耐用度几十倍以上。
  (2)刀具几何参数的选择:玻璃钢多属于脆性材料。如高硅氧玻璃钢的板材、模压材料和缠绕材料,都属于这类材料。只有适当加大前角,保持刀刃锋利,才能顺利地切断纤维。一般加工层压材料时,γO=14º~20º;加工缠绕性材料时,γO=20º~30º。由于玻璃钢的弹性模量小,弹性恢复大,为了减小摩擦,使切削轻快,αO=10º~15º,副后角α′O=12º~15º。为了改善切削过程中刀具散热条件,粗加工应选较小的主偏角,一般取Κr=30º~60º,精加工时取Κr=90º。加工玻璃钢的刃倾角λs=-10º~-5º。刀尖圆弧半径rε=0.75~2mm。为了增强刃口的切割能力,车削玻璃钢的刀具不磨负倒棱。人造金刚石和立方氮化硼刀具的前角,由于刀片结构和刀片材料强度的限制,一般为γO=-5~0º。
  (3)切削用量的选择:车削玻璃钢的切削速度,采用硬质合金刀具时,νC=40~80m/min,ap=0.1~4mm,f=0.2~0.5mm/r。采用人造聚晶金刚石复合片刀具切削时,νC=100~120m/min。
  (4)车削玻璃钢时应注意的问题:车削玻璃钢时的粉尘对人有刺激作用,引起人体过敏反应,应注意防尘工作。

  10.怎样车削玻璃钢的螺纹?
  在玻璃钢材料上车螺纹,容易出现起皮、掉渣、崩牙等现象。这是由于玻璃钢的抗劈强度远远小于它的抗拉强度和抗压强度。如3230酚醛层压玻璃布板的抗拉强度为98MPa,而它的抗劈强度只有12.7MPa。所以玻璃钢在切削过程中,应避免受劈的情况下进行切削,这样可以避免上述不良现象的产生。这就要求要合理选择车削玻璃钢螺纹刀具的几何参数和切削用量。
   
  图11-2a所示为负刃倾角月牙洼形正前角螺纹车刀;图11-2b所示为负刃倾角负前角螺纹车刀。这两种刀具车玻璃钢螺纹,效果都好。它们的共同特点是,都采用了负的刃倾角,这样就改变了切削分力的大小与方向,对防止螺纹的缺陷十分有利。通过实践证明,如果采用大于0的刃倾角,螺纹的车削质量就比较差。
  用硬质合金车刀车削玻璃钢螺纹的切削速度为20~80m/min,对玻璃布缠绕的管材螺纹的切削速度以20~35m/min为好。切削深度一般为0.1~0.5mm。

  11.有哪些钻削塑料的钻型?
  塑料的种类繁多,性能与切削加工性各异。为了保证钻孔的质量,广大工人和科技人员研究出钻削塑料的一些钻型,如图11-3~图11-11所示,供参考。
 
  12.怎样用人造聚晶金刚石复合片刀具车削高硅氧酚醛塑料和碳酚醛塑料?
  人造聚晶金刚石复合片刀具(PCD刀具)具有接近天然金刚石的硬度和耐磨性,而且各方向硬度一致。它的抗弯强度,由于有强度较高的硬质合金支承,可达1500Pa,切削过程中不易崩刃和断裂。聚晶层的导热系数很高,使切削区的温度很快传出,降低了切削温度。由于PCD刀具有以上特点,很适合切削高硅氧酚醛塑料和碳酚醛塑料等难切削材料,其刀具耐用度高于硬质合金刀具几十倍。
  高硅氧酚醛塑料和碳酚醛塑料的导热系数很低,只有一般金属的1/100~1/1000。材料中的硬质点有很强的研磨性,而树脂又很软,在切削过程中,如同砂轮磨刀一样,加速刀具磨损,使之失去切削作用,严重影响加工精度。为此采用了PCD刀具来切削上述材料,获得很高的刀具耐用度。如车一锥体,大端直径φ696mm,小端直径φ338mm,锥体长1270 mm,切削速度νC=70~120m/min,平均进给量f=0.6mm/r,切削深度ap=0.9~2mm,连续车削50min后,PCD刀具只磨损了0.03mm。通过多次使用PCD刀具车削这类材料,平均切削速度νC=76.7m/min,切削深度ap=0.5~2mm,进给量f=0.6mm/r,切削时间为84min,刀具仅磨损了0.04mm。
 
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