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加工塑料复材的切削刀具的应用



【编者按】由于塑料复合材料种类繁多,每种材料对切削工艺的反应都不尽相同。本文是对加工塑料的切削刀具的应用的讲述。

 


 

  许多精通金属切削的加工车间在需要加工塑料或塑料复合材料时,往往会变得不知所措,这是完全可以理解的。塑料复合材料种类繁多,每种材料对切削工艺的反应都不尽相同。除了不同材料的物理特性以外,其他一些不那么明显的因素(如工件颜色的变化)也可能会显著改变一种塑料材料对切削刀具的反应方式。

  许多精通金属切削的加工车间在需要加工塑料或塑料复合材料时,往往会变得不知所措,这是完全可以理解的。塑料复合材料种类繁多,每种材料对切削工艺的反应都不尽相同。除了不同材料的物理特性以外,其他一些不那么明显的因素(如工件颜色的变化)也可能会显著改变一种塑料材料对切削刀具的反应方式。

在塑料零件和成品的制造中,镂铣和修边已成为最常见的切削加工方式。成功实现塑料工件切削加工的关键,是刀具的几何形状必须与工件材料的加工特性相互匹配。当然,虽然本文重点介绍切削刀具与材料特性的匹配问题,但其他一些因素(如加工编程和工件夹持技术)也同样重要。

  过去,镂铣是一种对木材和铝材进行快速成形和切削的加工方式,只是偶尔才用于塑料和塑料复合材料的加工。如今,塑料加工已经完全改变了镂铣刀具的设计和应用前景。CNC数控镂铣已将这种加工方式提升到一个新的水平,并使塑料产品制造商能够通过镂铣获得过去需要进一步加工才能达到的高光洁边缘。

  根据塑料材料对切削加工的反应方式对其进行分类,是理解塑料加工对刀具几何形状要求的一种不错的方式。

  切削软塑料的刀具几何形状

  对软塑料进行镂铣加工时,会从被加工材料表面切除卷曲的长切屑。一般来说,切屑的去除相当容易,很少会产生加工边缘发毛或出现毛刺的情况。切削软塑料时,刀具的磨料磨损和冲击磨损都不会成为问题,因此刀具可以采用大前角,从而使切屑更容易从材料上切离,同时,大前角刀具允许采用更快的进给率,并使工件不容易在切削压力下发生滑移。

  刀具采用大前角的代价是使其变得 “冲劲十足”。如果有谁曾在手动镂铣床上使用过专用CNC塑料加工刀具,他们就可以证实,这种刀具很容易“往前冲”,有时可能会使操作者很难控制。解决这一问题的方法是同时改变软塑料切削刀具后刀面的角度和型式。对刀具后角进行小角度径向(或偏心)铲磨,可以降低刀具的“冲击性”,使其既能实现大前角自由切削,同时又能保持对刀具的控制。

  采用这种径向后角是为了减小沿切削表面产生的摩擦力,并为刀具提供某种稳定性。但是,如果后角过大(1°或2°),刀具就会开始颤振。由此产生沿切削刃分布的刀痕会使工件表面光洁度恶化。如果后角过小(1°或2°),则会增大刀具的摩擦力,从而产生会使工件材料熔融的高温。

  在设计软塑料切削刀具时,需要考虑的其他因素还包括:当切屑从工件上被切离后,如何将其顺畅排出。如果切屑阻塞了排屑通道,温度就会迅速升高,从而导致工件表面光洁度恶化,刀具也会过快磨损。解决方案是:通过减少刀具槽数(从而增大允许的刀槽空间),并采用O型刀槽几何形状,来增大可供切屑流动的刀槽面积。O型刀槽使切屑能顺着刀具几何形状自然形成和自然流动,而不需要“急转弯”,因为过大的转角可能会减缓切屑从切削通道排出的速度。

  切削硬塑料的刀具几何形状

  硬塑料的切削加工与软塑料有很大不同。最大的区别在于切屑的产生。加工木材、铝材或软塑料时,会产生比较大的切屑,这些切屑很容易从镂铣刀的刀槽中排出。而硬塑料的切屑看起来完全不同,通常都是非常小的碎片,类似于晶体碎粒或粉尘。与软塑料的切屑不同,硬塑料的切屑是通过从基体材料上不断切碎一些小的、单独的块状材料而形成的。因此,切削硬塑料需要采用与切削软塑料不同的刀具几何形状。

  与加工软塑料类似,硬塑料刀具也能通过增大前角而获益,较大的前角使工件材料更容易被切离。不过,与软塑料刀具不同的是,没有必要大幅增大前角,因为在遇到锋利的切削刃时,大部分硬塑料都很容易与其结合剂分离,通常,只需适度增大前角就能获得最佳加工效果。此外,也不需要为了控制刀具而大幅减小后角,通常,采用平后角即足以控制刀具和防止颤振。

  与软塑料一样,切削硬塑料时同样会遇到颤振和材料熔融的问题,而且也必须通过对前角和后角的精确控制来解决。加工硬塑料时还会出现“月牙洼”—— 一种加工软塑料时很少出现的切削现象。由于硬塑料的加工方式,如果前角过大,工件材料破碎并与结合剂分离的倾向就会显著增大,切屑会从切削边缘拔出一些额外的材料,从而在加工边缘表面留下月牙洼或凹坑。在合理的切削速度范围内,通过严格控制刀具的切入角,通常就能防止这种现象的发生。

  与软塑料最适合用O型刀槽镂铣刀加工不同,硬塑料通常最适合用经过修改的O型刀槽或具有平前刀面几何形状的镂铣刀加工。这种刀具几何形状,加上产生的较小切屑,使多槽螺旋刃刀具能有效加工硬塑料,并能获得良好的表面光洁度和排屑性能

  切削增强型塑料的刀具几何形状

  增强型塑料通常是由聚酯、环氧树脂或酚醛树脂基体与为了增强复合材料刚性而织入(或嵌入)其中的纤维或玻璃材料组成。虽然加入纤维或玻璃材料可以显著提高复合材料的强度,但也会使其变得非常难以加工。

  为了解决与加工高磨蚀性塑料相关的刀具设计问题,可以采取两种不同的方法。第一种方法是采用大前角和大后角,使刀具能自由而强力地进行切削,并减少切削过程中产生的热量。在切削增强型塑料时,切削热是加快刀具磨损的主要影响因素。这种方法的缺点是:形成的切入角非常小,与增强型塑料持续接触的切削刃强度不足,从而可能导致刀具崩刃,并造成整个切削刃提前失效。

  设计复合材料加工刀具可以采用的另一种方法是,通过大幅减小前角和略微减小后角,显著增加切削刃的强度。这种方法可以减少切削刃的崩刃,但可能会导致切削温度升高。使用这种刀具时,需要降低主轴转速,以减少材料发热,但这可能会导致切削力增大,并造成工件移位。

  加工增强型塑料时,必须仔细考虑应从这两种类型刀具中选择哪一种,此外,主轴转速和进给率必须与所选的刀具相匹配,因为要获得最佳切削性能,每种刀具所要求的切削能力和发热特性都不相同。通常,刀具包括螺旋刃和平前刀面铣刀,它们或者具有适合低速切削和坚固切削刃的径向后刀面,或者具有适合高速自由切削的平后刀面。

  切屑负荷的重要性

  如果被加工零件夹持牢固,选择的刀具与工件材料匹配恰当,则主轴转速和进给率就成为决定成品零件质量的主要因素。对于不同的机床功率、切削刀具和工件材料成分,主轴转速和进给率可能会有很大差异。但是,仍然可以对二者的恰当比率进行有根据的推测,然后进行精确调整。

  确定了主轴转速与进给率组合的比率,也就确定了切屑负荷——切削刃每转切除切屑的厚度。其关系式为:切屑负荷=进给率(ipm)/[主轴转速(rpm)×刀槽数]。

  实际上,增大切屑负荷会使切除的切屑体积增大。而切除的切屑越大,它带走的热量就越多,刀具寿命也越长。增大切屑负荷的主要方式是增大进给率,这样做的好处是可以增加每小时加工完成的工件数量。如果进给率已经达到了最大值,还可以通过降低主轴转速来增大切屑负荷。减小切屑负荷意味着增加切削刃切削工件的次数,而每个刀具切削刃只能使用有限的次数就会变钝。因此,为了延长刀具寿命,应该采用能加工出可接受表面光洁度的最大切屑负荷。

  一些经验法则对于确定进给率非常有用。对于以下例子,假设主轴转速为18,000r/min。用具有专门设计几何形状的整体硬质合金螺旋槽镂铣刀切削软塑料时,可以采用大约7,600mm/min的切削速度。为了清除切屑,整体硬质合金O型刀槽镂铣刀也应该采用同样高的切削速度。如果工件表面光洁度开始恶化,为了保持相同的生产率,可以提高主轴转速。高速钢O型刀槽镂铣刀则需要采用较慢的进给率,以防止刀具挠曲变形和引起会产生刀痕的颤振。

  用小螺旋角镂铣刀加工硬塑料效果很好,采用小螺旋角设计是为了将切屑整齐地切离工件。这些刀具加工时的切削速度大约为7,600mm/min。双刃V型刀槽镂铣刀的切削速度范围为3,170-6,350mm/min(取决于刀具型式和材料成分),它也能加工出极佳的表面光洁度。在任何情况下,了解需要加工的是硬塑料还是软塑料都非常重要,其附带产物必须是切屑,而不是粉尘。较大的切屑不会重焊到切削表面,有利于延长刀具寿命。如果切削产生的是粉尘,则意味着切屑被重切了许多次,或切屑负荷太小,这会导致刀具寿命和切削刃光洁度下降。

  纤维增强型塑料与其他类型的塑料不同,很难确定加工所产生切屑的类型。由于纤维材料(如玻璃纤维、Aramid纤维、碳纤维复合材料等)结构的原因,在切削过程中无法形成切屑。在这种情况下,刀具的切削速度越快越好。完成加工时刀具的温度越低,预期的刀具寿命就越长。

  如果无论如何调节切削速度和进给量,在最佳切削条件下刀具仍然过热,或者偶尔会造成切屑重焊现象,就应该采用压缩空气来辅助排屑。 

 


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