塑料的机械加工

导言
作为具有优越的耐疲劳性、耐蠕变性、耐摩擦摩损性、耐化学性等特性的工程塑料,乙缩醛共聚物Duracon可代替金属而被用于许多机械部件.这些部件几乎都是通过注射成型制成的,但在下列情况下则需要对棒料、平板之类的坯料进行机械加工,并对注射成型品进行精加工.

需要进行机械加工的场合:
◇产量小
◇试制
研究用Duracon来代替金属或设计出新产品后,想要制作原型机以便通过实用试验来确认其性能.这一方法涉及对坯料的机械加工以及改造压铸模并进行注射成型两个方面.后者在成型后需要进行机械加工.
◇尺寸精度严格
所要求的尺寸精度过于严格,注射成型无法达到时*.还需要考虑这一点:塑料的弹性系数比金属低,而且具有粘弹性,因此即使进行与金属同样的机械加工,也会因弹性恢复等原因而未必能达到与金属相同的精度.
◇注射成型实现不了的形状
成型品有内槽,或需要朝不规则的方向钻孔时.
*:塑料的线膨胀系数一般是金属的5～10倍,因此当广泛使用时,切记要弄清所要求的精度是否妥当.

机械加工方面的“注意事项”
基本上可用与金属材料相同的方法进行机械加工,但会表现出粘弹性动作,而且会因热传导率低而容易引起摩擦热蓄积,因此机械加工时一般应注意以下几点:
◇应使用锋利的刀具
如果锋利度偏低,则需要很大的切削压力,产生过量的摩擦热,降低尺寸精度,并使表面变得粗糙.
◇含玻璃纤维材料和自然材料(不含玻璃纤维材料)用的刀具应区别管理.
切削掺有玻璃纤维的坯料时,刀具的锋利度容易降低,因此刀具管理中要将其与自然材料用的刀具区别开来.
◇应使用易于排屑的工具.
◇用空气喷射进行冷却
最好进行冷却,使用压缩空气进行空气喷射即可.必要时也可像金属那样使用冷却液体.Duracon有良好的耐化学性和耐油性,因此不必担心因切削油等而产生裂纹.
◇加快转速并降低进给速度
一般来说,加快切削时的转速并减慢进给速度可获得良好的表面状态.切入深度也是重要条件之一.
◇研究被切削物的夹持方法
与金属相比,Duracon的弹性系数偏低,因此需要考虑加工时被切削物的夹持方法以免在接触切削刃时发生变形.
◇分多次进行切削
如果采用通过一次切削就要达到图纸尺寸的方法,则尺寸精度不佳.最好在修正切削应变的同时分数次进行切削.此外,如果不是从对称的方向来回交替地一点点切削而是从一个方向一切到底,则无法进行精度良好的切削.即使对材料进行过退火,这一步骤也是必要的.从材料的中心对称地切削也是获得精度良好的切削品的必要条件之一.

一.车床加工
Duracon可用与金属材料同样的方法在车床上进行切削加工.但由于Duracon比金属更易产生弹性变形,并且有因延迟弹性产生的恢复,因此当对尺寸精度有严格要求时,必须重点选择切削条件和切削工具.
1.1工具形状
◇前角
·工具形状中的最重要的因素是前角.如果前角发生变化,则加工面的状态以及所生成的切屑的状态也都将发生变化.
·一般来说,Duracon可用前角为5～10°的刀刃进行正常切削.各种塑料都有其临界前角,该前角是提高工件的尺寸精度和减少加工后的变形以及尺寸变化所需的最佳形状.
◇何谓临界前角？
·临界前角是指切削阻力方向与切削方向正好一致时的角度.由于此时与切削方向垂直的切削阻力的分力为0,而且在切削过程中工件既不被挤压也不被拉长,因此可以说临界前角是一种理想前角.
·然而实际上使用的工具前角大都是临界前角或更大的前角.如图1-1所示,临界前角也会因切入深度和切削速度等切削条件而发生变化,因此必须综合考虑工具形状和切削条件.

 

◇后角
·其次还必须注意工具的后角.为了减少后隙面上的摩擦并尽量控制摩擦热的产生,应设法避免刀刃与被切削物的接触.但如果后角过大,切入深度就会发生变化,从而也难以得到所需的精度.顶角的大小也与切入深度和切削阻力有关.虽然顶角小时阻力也小,但刀刃也容易卡住,切入深度的变动也因此加大,从而难以得到所需的尺寸精度.将切削刃的前端做成R0.5～2mm的圆形可改善加工表面的质量.
·可根据上述几点来确定工具形状,并参阅图1－2中所示的例子.

 

1.2切削条件
◇切削
·可通过观察切屑的情况来判断切削是否正常进行(以半透明至接近透明的切屑为宜),因此可在更改切削条件的同时来找出最佳点.切入深度是切削条件之一:偏深会导致碎裂,偏浅则会因摩擦热而融化.但由于临界前角会随着切入深度的变化而变化,因此对于一定形状的工具刀刃而言必然存在某个适当的切入深度.
◇切削速度
·切削速度也是一个重要条件.在考虑前角、切入深度、切削速度的基础上求出适当的切削条件范围,如图1-3所示.
例如,如果用前角10°的工具按0.1mm左右的切入深度进行切削,则可在30～400mm/分的范围内选取切削速度,但如果前角是20°,则必须将切入深度减少到前角为10°度时的一半,或者将切入深度设为0.1mm并减慢切削速度.一般来说,精加工切削是以较快的切削速度和较小的切入深度来进行的,但在粗切削的情况下,只要切削加工面不会出现问题,则应设法以较高切入深度来高速进行.

   

   

注1○:连续形切屑
　  △:非连续形切屑
注2V:切削点处的线速度,可从转速以及切削点处的被切削物的直径求得.

二.钻孔
与车床的情况相同,如果工具形状(顶角、后角、螺旋角等)、钻孔条件(进给量、转速)等不恰当,则会因材料的粘弹性动作、耐热性等而在加工内表面上引起熔融、粘接、碎裂等,并造成孔内表面的加工不良.同时孔径一般小于钻头直径,因此必须注意精度要求.
2.1钻头形状
◇良好的钻孔
·虽说金属材料用的标准钻头可在Duracon上进行良好的钻孔加工,但相对于顶角118°的标准钻头,顶角略小(90～110°)的钻头的效果更好.如果顶角太小,则钻入速度(bitingspeed)将快于钻头的切削速度,切屑无法正常排出,而且加工面也较粗糙.钻通孔时,为了防止端面上出现裂纹和毛刺,最好使用顶角较大(约170°)的钻头.
◇角度
·标准钻头的后角一般约为12°,Duracon则以10～15°为宜.后角与切削阻力有关,如果偏小,后隙面的摩擦力就会明显增大.
·螺旋角也关系到加工面的质量、精度和加工性能等.特别是在深孔的情况下,螺旋角偏小会使切屑排出量增大,进而降低加工面的质量.

 

2.2钻孔条件
◇加工面是否良好？
·观察切屑状况就可判断加工面的好坏,因此需要注意钻孔时切屑的形状、颜色、排出方法等.一般来说,应选择切屑呈螺旋状、带状和褶皱状的钻孔条件.
◇钻孔条件
·钻孔条件包括钻头转速、进给速度、进给力等.如果同时加快转速和进给速度,则会产生摩察热,加工面和切屑会发生熔融现象,从而无法获得具有良好内表面的孔.相反,如果减速,孔的内表面则会变成螺旋状并且粗糙.换言之,如果将转速和进给量适当地加以组合,便可获得良好的加工面,如图2-2所示的转速和进给量范围就比较可取.
表2-1所示的是钻头形状和钻孔条件方面的一个例子.
如上所述,所产生的磨擦热会降低加工面的质量.特别是对深孔而言这一倾向就更加明显,因此建议此时采用冷却剂(水、切削油、压缩空气).压缩空气不仅操作简单,而且效果也好.
油不仅有冷却效果,而且还有降低摩擦系数的功能,因此这一点在对加工效果有特殊要求时很有效.

 

 

 

                                                               

(69塑料年鉴 工业调查会 1968)

三.切割
◇切割方法
虽然有多种切割法,但切割Duracon板材和棒材时主要采用圆锯切割法和磨削切割法,而且一般都使用圆锯切割法.但由于圆锯的使用寿命偏短,并需要频繁地更换经过修整的锯片,因此操作性较差.而采用磨削切割法时,表面总会出现新的磨粒,因此切割性能的降低幅度小于圆锯,切割量大,并可获得光洁的切割面.不过,这时需要同时使用水或油等冷却剂.
用薄板制作垫圈等部件时,一般都采用剪切冲压法,此时最好使用取向少的板材.如果冲压时的切割器角度约为5°,间隙为板厚的5～6%,则可获得良好的结果.
此处介绍经常使用的圆锯切割法.
◇圆锯切割法
切割Duracon时可使用各种类型的锯片,如“错齿”的普通圆锯、不“错齿”的斜切锯、切削锯(chipsaw)等,但要尽可能减少因切削阻力而引起的摩擦热.“错齿”的主要目的是防止产生摩擦热,但过大的“错齿”则会使切屑增多,同时还会使切割面变粗糙,并缩短圆锯的使用寿命.一般来说,与错齿圆锯相比,带有仅做斜度磨削刀片的圆锯的切割面更洁净.特别是在切割薄板时,没有错齿的锯片更好.如果产生大量的摩擦热,则会导致切割面粗糙、熔化等各种问题,此时应使用油、肥皂液、压缩空气等.Duracon具有良好的耐化学性,因此不会受到这些冷却剂的侵害.
◇精加工
由上述几点可知,要改善切割面的精加工状况,最好使用切割性能好的刀刃,并使进给量保持一定以进行高速切割,而使用冷却剂则更好.但如果无法使用冷却剂,则必须降低速度,因此最好还是使用带有减速器的切割机.标准锯片尺寸如表3-1所示.
与其他机械加工时的情形类似,切断时,受应变恢复、弹性恢复以及摩擦热所引起的热膨胀等的影响,锯片有时会被夹在被切割物中,此时应使用楔块.

四.其他机械加工
4.1铣刀
Duracon的铣削与金属的铣削方法相同.　
◇使用直铣刀有时会产生垂直于切削方向的波纹,因此以使用螺旋铣刀为好.
◇铣刀直径越大,精加工面就越光滑.
◇刀刃的形状也可与车床用的车刀形状相同.
◇基本切削条件:进给量为0.1mm,切削速度为50～100m/min.
4.2铰刀
为了提高成型孔的尺寸精度或对钻机钻出的孔进行加工,有时需要进行铰孔加工.直槽铰刀或螺旋槽铰刀都可用于Duracon,但精加工时一般使用后者.切削刃的数量因铰刀的大小而异,一般是6～12条.
虽说切削刃的形状与金属用的相同,但要获得优良的加工面,则必须使用刃口性能好的铰刀.
必须注意,Duracon是一种粘弹性材料,铰刀加工后会出现弹性恢复现象,因此孔径可能会与铰刀尺寸不同.
怎样才能尽量避免这种现象呢？
与金属的钻孔或铰孔加工相比,铰刀转速最好慢一些.虽然转速会因铰刀大小而异,但基本上应达到500rpm左右.切入深度的标准是0.1～0.3mm.　　

五.退火
正如根据其制造方法可以推测的那样,棒料和厚板材会发生成型应变(主要是因冷却速度的差异而产生的应变).因此,如果尚未退火就进行钻孔或切割等,则会产生裂纹或使粗切割的材料发生很大的变形.即使没有这种现象可以进行切削加工,有时也会引起尺寸变化.
因此,作为切削加工用的坯料,棒料或厚板材原则上必须退火.对于非常精密的部件,有时要先使坯料退火,切削成大致的形状及尺寸后再次退火,然后再进行精加工.
退火应在均匀加热的油或空气中按以下条件进行:

◇温度
应通过搅拌或强制循环使加热浴(heatingbath)尽可能保持均匀.在145～150℃下退火时偶尔会出现熔融之类的故障,这是因为加热浴的温度分布不均,并且局部温度已经超出Duracon的熔点.
退火用的油最好是精制矿物油(典型的例子是液体石蜡)和植物油,不得含有酸性添加剂,而且本身不容易因加热而被空气氧化.
作为参考,图5－1给出了通过传热计算而求得的棒材的直径与所需退火时间的关系.

PA66 A2G6 物性