有机玻璃的切削加工
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刀
具
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栏目主持
王天谌
有机玻璃的切削加工
江西特康科技有限公司 （ 南昌 !!""#$） 万枝铭 朱敏生
!" 引言 由于非金属材料具有一些优于金属材料的独特性 能，所以在现代工业特别是高新技术产业里产生非常大 的作用，其应用领域和应用数量都逐步扩大。而有机玻 璃密度小，耐酸、耐碱，具有很好的绝缘性、透光性及 一定的耐磨性和自润性，可广泛用于航空、医疗、化工 等领域。有机玻璃制品的制造除了可以直接成形外，对 某些几何形状、尺寸精度和表面加工质量较高的有机玻 璃制品，往往要进行切削加工。由于有机玻璃的物理、 力学性能与金属材料的物理、力学性能有很大的差异， 故有机玻璃加工时切削参数、刀具材料的选择原则与金 属材料相比也有较大的区别。本文通过分析有机玻璃的 性能特点及其对切削加工性能的影响及切削参数对工件 加工质量和刀具寿命的影响，提出有关刀具参数的合理 选择原则。 #" 性能对切削加工的影响 （ !）热性能的影响 有机玻璃的导热性差，导热系 数一般仅为金属的 ! " !#$ % ! " &$’，因此切削过程中的散 热条件很差，刀具与工件间因摩擦而产生的热量很难由 工件传递走，致使切削区形成局部高温导致刀具磨损快 寿命降低。有机玻璃的热膨胀系数大 （ 一般比金属大 、玻璃化温度 ! * 在 !’’+ 左右，切削区的局 !($ % ) 倍） 部高温将使被加工零件的体积膨胀或局部玻璃化导致其 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玻璃化造成废 品。为避免上述情况，应该采用导热系数较高的刀具材 料，提高刀具散热的比例；采用较锋利的刀具并以较小 的背吃刀量进行切削，来减小切削热的产生；或在加工 过程中采用冷却剂 （ 压缩空气、冷却水等）加快切削热 的传递。 4,
— —刀具寿命，*/0 %— — —背吃刀量，** ’ 8— — —进给量，** . 9 *— — —分别为刀具寿命、背吃刀量、进给量修正 &、 (、 +— 指数 — —分别为寿命修正系数、加工类型修正系数 $ 6 、 $ 7— （ )）进给量和背吃刀量 进给量和背吃刀量的增加 不仅可以缩短切削时间、提高劳动生产率，而且增加了 切削层面积和散热体积，从而改善了切削区的散热条 件，所以进给量和背吃刀量的增加对切削温度的影响不 大。同时，实验证明，当进给量和背吃刀量的取值范围 不同时，刀具磨损量也不同。粗加工时为了提高劳动生 产率及保证一定的刀具寿命，可取较大的进给量。另一 方面，进给量增加也会使工件表面残留面积增大，造成 表面粗糙度 ! + 值增加，同时由于切削层面积的增加， 切削力也会明显增加，所以精加工时一般应取较小的进 给量。同时在切削有机玻璃时，背吃刀量对切削力影响 最大，由于工程塑料的弹性模量较大，当切削力较大 时，刀具走过后工件会产生回弹，造成工件变形而影响 加工质量。因此，在实际生产中要根据不同的加工精度 合理选择背吃刀量。
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冷加工
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提高刀具寿命及对已加工面的摩擦；同时在工艺系统刚 性较差时，可减小或消除切削时的振动。在精车时，车 刀的后角可以增加到 !"#左右。
对工件表面粗糙度也有一定的影响。在低速范围内随着 切削速度的增加，工件表面粗糙度值下降较明显，在 " !,( % ("* . */0 时，表面粗糙度值 ! + 达到最小值，之后 随着 " 的 增 加， ! + 也 增 大；而 当 高 速 切 削 （ -"" % -("* . */0）时，切削速度对表面粗糙度值 ! + 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 刀具寿命的影响很大，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、降低生产成本、保证必要 的加工质量与刀具寿命，应采用导热系数较高的刀具材 料，目前常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、金刚 石、陶瓷等。聚晶金刚石 （ 123）材料具有高导热系数、 高硬度、高耐磨性及低摩擦系数，适用于工程塑料的高 速切削。陶瓷材料虽然具有优良的耐磨性、耐热性等， 但脆性大、导热系数低，使用上受到一定的限制。使用 不同的刀具材料切削有机玻璃时，可按下式计算最佳切
+ 削速度： " 4 # 5 $ 6 $ 7 . %&’ ( )* 式中 # 5— — —刀具材料修正系数
加工时合理的前角
（ !）主偏角、副偏角和过渡刃 选用较大的主偏角 （ 。减 $"# % &"#）同时修磨圆弧形过渡刃 （ ! "’( % ! )**） 小径向切削力避免已加工面产生抖纹和提高刀尖强度， 改善散热条件；修磨圆弧形过渡刃可减小已加工面的 ! + 值。副偏角则按粗加工选用大、精加工时选用小的 原则来选择。 （ ,）刃倾角 选用正刃倾角 （ )"# % !"#）来控制切 屑不流向已加工面的表面，以避免切屑擦伤已加工面的 表面，同时可以减小材料变形及切削热的产生。 （ (）钻孔加工时可取较小的顶角 （ &"# % --"#）和修 短横刃、修窄刃带 （ 、顶角修磨圆弧修光 "’- % "’)**） 刃。 !" 切削参数的合理选择 实际生产中提高加工质量、降低加工成本或提高生 产率三者之间往往是彼此关联的。当工件材料、刀具、 机床都确定后，切削参数 （ 即切削速度、进给量、背吃 刀量）的合理选取对提高生产效率、降低生产成本、保 证零件的加工质量及必要的刀具寿命具有重要的意义。 （ -）切削速度 在切削工程塑料时，提高切削速度 可以缩短切削时间、提高劳动生产率，且切削力变化不 大，但切削速度的增加会使刀具后刀面与已加工表面之 间的摩擦加剧，单位时间内的摩擦功和弹性变形功也增 大，导致切削热增加。由于工件的导热系数低、散热条 件差，切削热的增加会使切削区的温度急剧升高，导致 工件表面烧焦或分解；同时由于有机玻璃的热膨胀系数 较高将使工件产生热变形。这样将造成工件的加工精度 与加工表面质量下降，同时刀尖会因无法承受切削高温 而发生烧蚀或急剧磨损。 实验证明，当切削速度在某一范围内时，切削速度
所以一定要提前确认好上述这些状态，特别在多轴 加工中，这些要素显得格外重要。 #" 提高定位 （ !"#$%"&’’&()）精度，减小偏心 在高进给、高速度钻头问世之前的传统的加工方法 中，都要先打中心孔。而现代高性能钻头，如 456 钻 头，则设计成厚实的钻心 （ ，以及横刃小于 ’0%** )78） 的结构。这种结构的钻头，在孔深至 3 倍直径时，不用 打中心孔，但是钻超过 3 倍直径的深孔时，仍需打中心 孔。在深孔加工中，下面的方法，将提供有益的帮助。 （ 长度 !）钻中心孔时，要用相同直径的短柄钻头 （ 最好小于 9 # ） 。如图 ! 所示，先钻到一倍孔径深的定位 中心孔 （ 经验证明，最理想的深度是一倍左右的孔径） 。 之后再用深孔钻，进行加工时，这个一倍孔径深度的 孔，就起到了导向功能，致使深孔加工得到稳定而良好 地完成。
（ )）脆性的影响 有机玻璃力学性能特征基本上属 于硬而脆的塑料，属热塑性塑料，遇热后即软化，冷却 时又冷凝固坚硬。因此，在切削有机玻璃时，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。 $" 刀具材料的选择 有机玻璃属于热塑性塑料，其熔点低，熔点范围在 !,’ % )’’+ ，玻璃化温度仅为 !’$+ 。因此对切削热较 敏感。在切削过程中当切削热度过高时，加工表面极易 产生熔结现象；而且有机玻璃在切削时被切屑带走的切 削热很少，主要由刀具和切削液散热，所以工件和刀具 聚集着很高的切削热。这对刀具使用寿命、产品表面粗 糙度是非常不利的，特别是在高速切削和深孔加工等工 作条件恶劣时影响更大。 高速钢或碳素工具钢是通常采用的经济型刀具材 料，这两种材料的刀具在刃磨时易获得较为锋利的切削 刃，如在刃磨后对前、后刀面进行研磨，使其达到镜面 （ ，可以避免由于材料的软化，造成材 /） " - . ’(! % ’()! 料的涂抹现象，以影响表面的光滑程度并有时使已加工 表面产生裂纹。 %" 刀具角度的选择 在切削有机玻璃时，切削力是随切削速度、背吃刀 量和刀具前角的变化而变化，其中切削力与背吃刀量成 正比。 （ !）前角 在切削时适当的选用大前角 （ )$0 % &’0） 可以减小材料变形及切削热的产生，以提高刀具寿命。 加工时合理的前角如附图所示。图中实心点切削速度为 ’(1// " /23，空心点切削速度为 ’()// " /23。 （ )）后角 根据背吃刀量或进给量选择合理的后角 （ 。一般背吃刀量与后角成反比例关系，但在保 ,0 % !’0） 证刀具强度的情况下尽量取大值，以减小后刀面的磨损
（ 收稿日期：$’’1’$!9）
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冷加工
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机械加工中的钻孔技巧
韩国 !"#$%%& 公司 崔万植
钻孔是机械加工中比较常见的一种工序，钻孔的质 量与机床的功率、刀具的切削参数、冷却压力等多方面 因素相关，下面就从这些方面介绍一些在机械加工中的 钻孔技巧。 !" 确认机床主轴功率、工件夹具及其切削载荷 是否合理 （ !）合理的机床功率是保证切削进行下去的前提条 件，下式为主轴功率的计算公式。一些设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ即便主轴电 动机功率强劲，但是 ! 轴进给电动机的功率不足，这 时刀具进给时就得不到充分的弹力，致使排屑控制能力 差，最终导致断刀。但即使机床的刚性、功率和同轴度 都很好，如果工件夹具设计的不合理或不牢靠，也会影 响钻孔正常的进行。 主轴功率 " " 式中 # — — —钻头直径，** — —进给量，** + , $— — —切削速度，** + *-. %— — —附加切削力，/ + *-. & #— — —影响因子，! " ’01 2 ’0&3 !— （ $）在专机中，其进给控制，通常采用气压或液压 系统，但应注意：在气压系统中，往往遇到由于空气压 力不足、进给压力不够，导致工作不良的情况。虽然液 压系统比气压系统稳定，但往往又遇到压力不稳定，导 致进给不均匀。 #$%& # （ ()） $%%&’ !
图 !
（ $）用传统方法钻中心孔的注意事项。 铣：这种定位孔，用硬质合金钻头，进行高速加工 中，极为容易发生偏心，见图 $:。 车：针对这种定位孔，使用硬质合金钻头时，在前
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （ $" 结论 $）进给量和背吃刀量对切削温度的影响较小。随 （ !）在切削有机玻璃时，切削速度对工件加工质量 和刀具寿命影响最大。高速切削有机玻璃时，由于材料 导热系数低、散热条件差，为避免切削温度急剧升高影 响工件的加工质量和刀具寿命，应采用导热系数较高的 刀具材料同时采用冷却剂 （ 如压缩空气）进行冷却。 着进给量和背吃刀量的增加刀具寿命将有所增加。背吃 刀量对切削力影响最大，由于有机玻璃的弹性模量较 大，当切削力较大时，加工后工件会产生回弹，造成工 件变形而影响加工质量。因此，应根据不同工件加工要 求合理选择背吃刀量。
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栏目主持
王天谌
有机玻璃的切削加工
江西特康科技有限公司 （ 南昌 !!""#$） 万枝铭 朱敏生
!" 引言 由于非金属材料具有一些优于金属材料的独特性 能，所以在现代工业特别是高新技术产业里产生非常大 的作用，其应用领域和应用数量都逐步扩大。而有机玻 璃密度小，耐酸、耐碱，具有很好的绝缘性、透光性及 一定的耐磨性和自润性，可广泛用于航空、医疗、化工 等领域。有机玻璃制品的制造除了可以直接成形外，对 某些几何形状、尺寸精度和表面加工质量较高的有机玻 璃制品，往往要进行切削加工。由于有机玻璃的物理、 力学性能与金属材料的物理、力学性能有很大的差异， 故有机玻璃加工时切削参数、刀具材料的选择原则与金 属材料相比也有较大的区别。本文通过分析有机玻璃的 性能特点及其对切削加工性能的影响及切削参数对工件 加工质量和刀具寿命的影响，提出有关刀具参数的合理 选择原则。 #" 性能对切削加工的影响 （ !）热性能的影响 有机玻璃的导热性差，导热系 数一般仅为金属的 ! " !#$ % ! " &$’，因此切削过程中的散 热条件很差，刀具与工件间因摩擦而产生的热量很难由 工件传递走，致使切削区形成局部高温导致刀具磨损快 寿命降低。有机玻璃的热膨胀系数大 （ 一般比金属大 、玻璃化温度 ! * 在 !’’+ 左右，切削区的局 !($ % ) 倍） 部高温将使被加工零件的体积膨胀或局部玻璃化导致其 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玻璃化造成废 品。为避免上述情况，应该采用导热系数较高的刀具材 料，提高刀具散热的比例；采用较锋利的刀具并以较小 的背吃刀量进行切削，来减小切削热的产生；或在加工 过程中采用冷却剂 （ 压缩空气、冷却水等）加快切削热 的传递。 4,
— —刀具寿命，*/0 %— — —背吃刀量，** ’ 8— — —进给量，** . 9 *— — —分别为刀具寿命、背吃刀量、进给量修正 &、 (、 +— 指数 — —分别为寿命修正系数、加工类型修正系数 $ 6 、 $ 7— （ )）进给量和背吃刀量 进给量和背吃刀量的增加 不仅可以缩短切削时间、提高劳动生产率，而且增加了 切削层面积和散热体积，从而改善了切削区的散热条 件，所以进给量和背吃刀量的增加对切削温度的影响不 大。同时，实验证明，当进给量和背吃刀量的取值范围 不同时，刀具磨损量也不同。粗加工时为了提高劳动生 产率及保证一定的刀具寿命，可取较大的进给量。另一 方面，进给量增加也会使工件表面残留面积增大，造成 表面粗糙度 ! + 值增加，同时由于切削层面积的增加， 切削力也会明显增加，所以精加工时一般应取较小的进 给量。同时在切削有机玻璃时，背吃刀量对切削力影响 最大，由于工程塑料的弹性模量较大，当切削力较大 时，刀具走过后工件会产生回弹，造成工件变形而影响 加工质量。因此，在实际生产中要根据不同的加工精度 合理选择背吃刀量。
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冷加工
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提高刀具寿命及对已加工面的摩擦；同时在工艺系统刚 性较差时，可减小或消除切削时的振动。在精车时，车 刀的后角可以增加到 !"#左右。
对工件表面粗糙度也有一定的影响。在低速范围内随着 切削速度的增加，工件表面粗糙度值下降较明显，在 " !,( % ("* . */0 时，表面粗糙度值 ! + 达到最小值，之后 随着 " 的 增 加， ! + 也 增 大；而 当 高 速 切 削 （ -"" % -("* . */0）时，切削速度对表面粗糙度值 ! + 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 刀具寿命的影响很大，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、降低生产成本、保证必要 的加工质量与刀具寿命，应采用导热系数较高的刀具材 料，目前常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、金刚 石、陶瓷等。聚晶金刚石 （ 123）材料具有高导热系数、 高硬度、高耐磨性及低摩擦系数，适用于工程塑料的高 速切削。陶瓷材料虽然具有优良的耐磨性、耐热性等， 但脆性大、导热系数低，使用上受到一定的限制。使用 不同的刀具材料切削有机玻璃时，可按下式计算最佳切
+ 削速度： " 4 # 5 $ 6 $ 7 . %&’ ( )* 式中 # 5— — —刀具材料修正系数
加工时合理的前角
（ !）主偏角、副偏角和过渡刃 选用较大的主偏角 （ 。减 $"# % &"#）同时修磨圆弧形过渡刃 （ ! "’( % ! )**） 小径向切削力避免已加工面产生抖纹和提高刀尖强度， 改善散热条件；修磨圆弧形过渡刃可减小已加工面的 ! + 值。副偏角则按粗加工选用大、精加工时选用小的 原则来选择。 （ ,）刃倾角 选用正刃倾角 （ )"# % !"#）来控制切 屑不流向已加工面的表面，以避免切屑擦伤已加工面的 表面，同时可以减小材料变形及切削热的产生。 （ (）钻孔加工时可取较小的顶角 （ &"# % --"#）和修 短横刃、修窄刃带 （ 、顶角修磨圆弧修光 "’- % "’)**） 刃。 !" 切削参数的合理选择 实际生产中提高加工质量、降低加工成本或提高生 产率三者之间往往是彼此关联的。当工件材料、刀具、 机床都确定后，切削参数 （ 即切削速度、进给量、背吃 刀量）的合理选取对提高生产效率、降低生产成本、保 证零件的加工质量及必要的刀具寿命具有重要的意义。 （ -）切削速度 在切削工程塑料时，提高切削速度 可以缩短切削时间、提高劳动生产率，且切削力变化不 大，但切削速度的增加会使刀具后刀面与已加工表面之 间的摩擦加剧，单位时间内的摩擦功和弹性变形功也增 大，导致切削热增加。由于工件的导热系数低、散热条 件差，切削热的增加会使切削区的温度急剧升高，导致 工件表面烧焦或分解；同时由于有机玻璃的热膨胀系数 较高将使工件产生热变形。这样将造成工件的加工精度 与加工表面质量下降，同时刀尖会因无法承受切削高温 而发生烧蚀或急剧磨损。 实验证明，当切削速度在某一范围内时，切削速度
所以一定要提前确认好上述这些状态，特别在多轴 加工中，这些要素显得格外重要。 #" 提高定位 （ !"#$%"&’’&()）精度，减小偏心 在高进给、高速度钻头问世之前的传统的加工方法 中，都要先打中心孔。而现代高性能钻头，如 456 钻 头，则设计成厚实的钻心 （ ，以及横刃小于 ’0%** )78） 的结构。这种结构的钻头，在孔深至 3 倍直径时，不用 打中心孔，但是钻超过 3 倍直径的深孔时，仍需打中心 孔。在深孔加工中，下面的方法，将提供有益的帮助。 （ 长度 !）钻中心孔时，要用相同直径的短柄钻头 （ 最好小于 9 # ） 。如图 ! 所示，先钻到一倍孔径深的定位 中心孔 （ 经验证明，最理想的深度是一倍左右的孔径） 。 之后再用深孔钻，进行加工时，这个一倍孔径深度的 孔，就起到了导向功能，致使深孔加工得到稳定而良好 地完成。
（ )）脆性的影响 有机玻璃力学性能特征基本上属 于硬而脆的塑料，属热塑性塑料，遇热后即软化，冷却 时又冷凝固坚硬。因此，在切削有机玻璃时，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。 $" 刀具材料的选择 有机玻璃属于热塑性塑料，其熔点低，熔点范围在 !,’ % )’’+ ，玻璃化温度仅为 !’$+ 。因此对切削热较 敏感。在切削过程中当切削热度过高时，加工表面极易 产生熔结现象；而且有机玻璃在切削时被切屑带走的切 削热很少，主要由刀具和切削液散热，所以工件和刀具 聚集着很高的切削热。这对刀具使用寿命、产品表面粗 糙度是非常不利的，特别是在高速切削和深孔加工等工 作条件恶劣时影响更大。 高速钢或碳素工具钢是通常采用的经济型刀具材 料，这两种材料的刀具在刃磨时易获得较为锋利的切削 刃，如在刃磨后对前、后刀面进行研磨，使其达到镜面 （ ，可以避免由于材料的软化，造成材 /） " - . ’(! % ’()! 料的涂抹现象，以影响表面的光滑程度并有时使已加工 表面产生裂纹。 %" 刀具角度的选择 在切削有机玻璃时，切削力是随切削速度、背吃刀 量和刀具前角的变化而变化，其中切削力与背吃刀量成 正比。 （ !）前角 在切削时适当的选用大前角 （ )$0 % &’0） 可以减小材料变形及切削热的产生，以提高刀具寿命。 加工时合理的前角如附图所示。图中实心点切削速度为 ’(1// " /23，空心点切削速度为 ’()// " /23。 （ )）后角 根据背吃刀量或进给量选择合理的后角 （ 。一般背吃刀量与后角成反比例关系，但在保 ,0 % !’0） 证刀具强度的情况下尽量取大值，以减小后刀面的磨损
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机械加工中的钻孔技巧
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钻孔是机械加工中比较常见的一种工序，钻孔的质 量与机床的功率、刀具的切削参数、冷却压力等多方面 因素相关，下面就从这些方面介绍一些在机械加工中的 钻孔技巧。 !" 确认机床主轴功率、工件夹具及其切削载荷 是否合理 （ !）合理的机床功率是保证切削进行下去的前提条 件，下式为主轴功率的计算公式。一些设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ即便主轴电 动机功率强劲，但是 ! 轴进给电动机的功率不足，这 时刀具进给时就得不到充分的弹力，致使排屑控制能力 差，最终导致断刀。但即使机床的刚性、功率和同轴度 都很好，如果工件夹具设计的不合理或不牢靠，也会影 响钻孔正常的进行。 主轴功率 " " 式中 # — — —钻头直径，** — —进给量，** + , $— — —切削速度，** + *-. %— — —附加切削力，/ + *-. & #— — —影响因子，! " ’01 2 ’0&3 !— （ $）在专机中，其进给控制，通常采用气压或液压 系统，但应注意：在气压系统中，往往遇到由于空气压 力不足、进给压力不够，导致工作不良的情况。虽然液 压系统比气压系统稳定，但往往又遇到压力不稳定，导 致进给不均匀。 #$%& # （ ()） $%%&’ !
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（ $）用传统方法钻中心孔的注意事项。 铣：这种定位孔，用硬质合金钻头，进行高速加工 中，极为容易发生偏心，见图 $:。 车：针对这种定位孔，使用硬质合金钻头时，在前
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