材料2026年10月15日

PEEK 等塑料的切削：与金属的不同、切削条件与刀具、退火、尺寸与塑料齿轮

塑料会随热和水伸缩哦。刚加工完就测，明天尺寸可能就不一样了

PEEK、POM、尼龙（PA）等塑料，可以用和金属一样的车床、加工中心来切削。即便如此，仍常为“加工后尺寸变了”“孔变小了”“开裂了”“毛刺去不掉”而头疼，原因在于塑料是一种不散热、会弹性回弹、随温度和水分伸缩的材料。本文依据塑料厂商的技术资料、JIS 和论文，整理了与金属的不同、塑料的种类与用途、切削条件与刀具、冷却方法、退火与尺寸稳定、温度引起的尺寸变化计算器、装夹方法与毛刺、玻璃纤维、碳纤维增强品种的刀具磨损，以及塑料齿轮和在人形机器人、协作机器人关节中的应用等内容（截至 2026 年 10 月）。

切削塑料时发生的现象。热量积聚在刀尖和表面，刀具通过后材料弹性回弹少许。因此孔有缩小、外径有变大的倾向^[1][2]。

塑料与金属有何不同

同样是“切削”，塑料在以下 5 个方面与金属表现不同。每一点都直接影响尺寸和已加工表面。

不同点	会发生什么	现场的对策
热量散不出去	导热性低、熔点也低，热量积聚在刀尖和表面。会熔化、发黏、残留应力^[1][3]	迅速排出切屑。用压缩空气冷却。用不摩擦、切得动的锋利刃口
软且会回弹	弹性模量低于金属，夹得太紧会变形。刀具通过后材料回弹，孔容易缩小、外径容易变大^[2][1]	减小夹紧力，加工余量对称分配。尺寸上外径取下限、孔取上限
伸缩大	线膨胀系数约为钢的 4~17 倍（见下图）。手的温度或切削热都会改变测量值	冷却后在 20 ℃ 附近测量。用计算器估算温度引起的部分
吸水	尼龙在水中最多可吸收约为自重 7% 的水，尺寸最多可能变化约 2%^[5]。PEEK、POM 少得多	易吸湿的材料，要统一保管环境和测量环境。精密零件用吸水少的塑料
遇化学品开裂	PC、PEI 等非晶性塑料，遇矿物油类切削油可能发生应力开裂^[1][4]	用风冷或水溶性切削液。使用后用 IPA 和纯水清洗

还要注意“缓慢变形”塑料在持续受载时，变形会随时间推移而增加（蠕变）。拧紧螺栓的支承面、压入部位、长时间被夹具夹持的痕迹可能无法恢复，因此要在紧固部位加入金属衬套、加大夹持面积等。

塑料的种类与用途

下面按可用温度、伸缩、吸水率以及切削时的注意点，列出了常用于切削加工的塑料。数值为塑料厂商的典型值，会因厂商和牌号而异。各材料的详细数值和出处也可以在材料数据库中查看。

塑料	连续使用温度参考	线膨胀系数（×10⁻⁵/K）	吸水率（23 ℃ 水中）	切削要点
POM-C（聚甲醛）	100 ℃	14	24 h 0.05%、96 h 0.1%	无气孔、易切削的常用材料。齿轮、滑动零件^[16]
PA6（浇铸尼龙）	100 ℃	12	饱和 6.5%	吸水后尺寸会变。大型零件、滚轮^[17][18]
UHMW-PE	80 ℃	18	24 h 0.01%	软、易让刀，易粘着。提高进给和速度，让切屑脱离^[22][1]
PTFE	260 ℃	10～13	0.01%	强度低、伸缩大，窄公差要在设计阶段就商量^[20][21]
PC（聚碳酸酯）	120 ℃	8	24 h 0.03～0.06%	非晶性。遇矿物油类切削油可能开裂^[19][1]
PPS	230 ℃	约 6（100~150 ℃ 时约 11）	0.01% 以下	超过玻璃化转变温度 97 ℃ 后膨胀几乎翻倍。增强牌号用 PCD^[11][12]
PEI	170 ℃	5	24 h 0.05%、96 h 0.1%	非晶性（玻璃化转变温度 216 ℃）。注意切削油引起的应力开裂^[10][1]
PEEK	260 ℃	5（Tg 143 ℃ 以上为 12）	24 h 0.02~0.03%、饱和 0.45%	价格高，粗加工的工艺安排很重要。可在最高 250 ℃ 下退火^[6][7][1]
PEEK GF30、CF30	260 ℃	4（挤出方向）	24 h 0.02～0.03%	纤维会磨损刀具。用 PCD、CVD 金刚石刀具^[8][9][1]
PAI（聚酰胺酰亚胺）	210 ℃	4.3	吸湿后尺寸会变	硬且强。增强牌号用 PCD^[13][14][1]
PI（聚酰亚胺）	290 ℃	4.3~4.4（50~200 ℃）	24 h 0.47%	切削速度较低，为 25~100 m/min。PCD 最佳^[15][1]

连续使用温度、线膨胀系数、吸水率为 Ensinger 产品页面（POM-C 为 TECAFORM AH，PA6 为 TECAST T，PI 为 TECASINT 2011，PAI 为 TECAPAI CM XP403 等）的典型值。PA6 的饱和吸水率来自 MCAM，PEEK 的饱和吸水率和 Tg 来自 Victrex。

线膨胀系数的比较。同样是 100 mm，温度相差 10 ℃ 时，S45C 伸缩约 0.012 mm，PEEK 约 0.05 mm，POM 约 0.14 mm^{[6][16][23][24][25]}。

选材参考便宜又好切削的是 POM。在用水环境中要保证尺寸，就避开 PA。超过 100 ℃ 的部位或接触化学品、蒸汽的部位用 PPS、PEEK；温度更高或需要更高强度时用 PAI、PI。在既要尺寸稳定又要耐温的精密零件上常选 PEEK，是因为它的线膨胀在塑料中较小、吸水也少，并且可以在 250 ℃ 下退火^[6][1]。

切削条件参考与刀具

下面列出塑料厂商加工指南中的数值。这些都只是起点，需根据机床、装夹方法和零件形状调整。三菱化学集团（MCAM，原 Quadrant）的表格把塑料分成了几组^[1]。

塑料分组（MCAM 的表）	车削速度、进给	铣削速度、进给	钻孔速度、进给	刀具
POM、PA、UHMW-PE 等	200~500 m/min、0.05~0.5 mm/rev	200~500 m/min（POM 至 400）、0.5 mm/齿以下	50~100 m/min、0.1~0.3 mm/rev	HSS 或硬质合金
PC、PEI、PSU、PPSU	200~400、0.05~0.4	200~400、0.4 以下	50~100、0.1~0.3	硬质合金
PEEK（无填充）、PAI（无填充）、PET	200~400、0.05~0.5	150~300、0.4 以下	50~80、0.1~0.3	硬质合金
含 GF、CF 的 PEEK、PAI、PPS，PA66 GF30	100~200、0.05~0.3	75~150、0.3 以下	50~80、0.1~0.3	硬质合金或 PCD、CVD
PI、PBI	25~100、0.05~0.2	25~100、0.15 以下	25~50、0.1~0.3	硬质合金或 PCD、CVD

刃口角度：车削、铣削的后角均为 5~15°，前角 0~10°（铣削为 0~15°，PI、PBI 车削为 3~5°）。钻头后角 5~10°，前角 3~5°，顶角 90~120°^[1]。

关于 PEEK，塑料厂商 Victrex 也给出了条件。无填充 PEEK 车削时切削速度 100~300 m/min、进给 0.1~0.7 mm/rev、后角 5~15°、上前角 5~15°、切深 1~6.5 mm；铣削用硬质合金 180~230 m/min；钻孔 120 m/min、进给 0.05~0.20 mm/rev、顶角 118°^[2]。与 MCAM 相比，其速度下限更低、进给上限更大，因此从两份资料重叠的范围（车削 200~300 m/min、进给 0.1~0.5 mm/rev 左右）开始比较稳妥。

刃口锋利，前角为正或 0°：塑料一“摩擦”就会发热而熔化或撕裂。HSS 也能切削，但数量多时硬质合金更耐用^[1]
后角取大些：刀具通过后材料会回弹，后角小的话后刀面会摩擦发热
立铣刀用 2~3 刃、大螺旋角：留出较大的容屑空间，防止缠绕^[1]
进给不要降得过低：太慢会在同一处反复摩擦而积热。要找到切屑能连续排出的条件^[1]
金刚石刀具也会磨损：据刀具厂商研究所的报告，用单晶金刚石刀具切削 PEEK 时刃口会磨损、损伤，而且刃口处理不同，损伤方式也不同^[26]。即使是镜面般的精加工，也需要管理刀具寿命

冷却方法：风冷、水溶性切削液、切削油

塑料除钻孔和切断外，基本以不用切削液的干式切削为主。需要表面质量和公差时，不含芳香族的水溶性切削液、油雾或压缩空气效果好^[1]。

非晶性塑料不要用矿物油类切削油PC、PPSU、PEI、PSU 等非晶性塑料，遇矿物油类切削油可能发生应力开裂（化学开裂）。如果用了切削液，加工后要立即用异丙醇（IPA）和纯水清洗^[1][4]。即使刚加工完没看到裂纹，只要残留了油，就不能放心。

另一方面，对于结晶性、耐化学品的 PEEK，Victrex 表示水基、油基切削液均可使用^[2]。深孔（深度超过直径 2 倍）容易发热，要用切削液，并用分步进给排屑^[1]。

冷却也能减少毛刺。在一项针对生物医用塑料微铣削（微细槽加工）的研究中，用 16 ℃ 的空气时，宽 185 µm 的毛刺把槽堵住了；而用涡流管冷却到 −2.2 ℃ 的空气吹拂后，毛刺减小到 70 µm。这是因为塑料冷却后变得偏硬，断裂方式发生了变化^[28]。

退火与尺寸稳定

塑料坯料（板材、棒材）中残留着挤出或成形时的应力。切削去除表层后，应力平衡被打破而发生翘曲，切削时的热量也会带入新的应力。消除这些应力的方法就是退火（消除应力的热处理）^[2][1]。

塑料	保持温度（MCAM）	气氛
PE-UHMW、PC	130 ℃	空气、氮气（PE 也可用油）
POM-C、POM-H、PET	155 ℃	空气、氮气、油
PA	160 ℃（PA4.6、PA66 GF30 为 170 ℃）	空气、氮气、油
PSU	170 ℃	空气、氮气
PPS、PEI、PPSU	200 ℃	空气、氮气
PEEK	250 ℃	空气、氮气

通用步骤：以 10~20 ℃/h 升温，按壁厚每 1 mm 保持 10 分钟，以 5~10 ℃/h 冷却。回到室温还需按壁厚每 1 mm 再加 3 分钟。炉内温度控制在 ±3 ℃ 以内，用夹具压住形状，冷却前不要取下^[1]。

退火的温度曲线。壁厚 10 mm 的 PEEK 需要将近 2 天。冷却过快应力会恢复，所以冷却时间最长^[1]。

Victrex 针对 PEEK 给出了另一套步骤：均匀升温到 200 ℃，按壁厚每 1 mm 保持 1 小时，再以 10 ℃/h 冷却到 140 ℃ 以下后关炉。若要使高温下使用的零件尺寸稳定，就在比最高使用温度高 20 ℃ 以上的温度下保持^[2]。它与 MCAM（250 ℃、10 分钟/mm）的温度和时间都不同，因此要在工艺表中写明依据的是哪份资料。

粗加工：在精加工尺寸上，加上退火引起的变化量和精加工余量后留下^[1]
退火：按上表的温度进行。切削量大的零件，在最终精加工前再退火一次^[2]
轻微精加工：切深小、用新刃口。粗加工后仅放置 24 小时，尺寸也容易稳定下来^[1]

想省掉退火时坯料厂商的板材、棒材通常在出厂前已经退火。对于加工余量小、形状对称、公差有余量的零件，粗、精加工连续进行往往也没有问题。如果出现翘曲，首先检查是否只在单面大量切削（应两面均匀、相对挤出中心线对称地切削）^[1]。

尺寸的目标值与测量方法（附计算器）

测量塑料零件时，影响结果的是温度和水分和是否刚加工完。JIS 的尺寸是 20 ℃ 下的值，像塑料这样伸缩大的材料，如果不考虑测量温度的影响，合格与否的判定就会出错（参见测量误差基础）。

线膨胀系数是某一温度范围内的平均值，会因牌号、方向（增强牌号在挤出方向和垂直方向不同）、结晶度而变化。塑料厂商的资料中没有吸水伸长的计算公式，所以设为填入已知值的栏（尼龙在水中饱和时最多约 2%^[5]）。

刚加工完不要测：零件因切削热而膨胀。冷却后再测，最好先让零件适应测量室的温度
不要长时间手持：手的热量使温度升高几 ℃，100 mm 的 POM 就会变动超过 0.01 mm（可用计算器验证）
外径取公差下限、孔取公差上限：车削的外径有变大、孔有缩小的倾向。螺纹底孔也要确认实际的切削结果^[1]
能做到多精：MCAM 的“最佳公差”表中，尺寸 10、50、100、200 mm 时，PEEK、PEI、PPS、PC 为 0.02、0.04、0.06、0.10 mm，POM、PA 为 0.03、0.05、0.09、0.15 mm，HDPE 为 0.05、0.08、0.15、0.26 mm，填充 PEEK 为 0.02、0.03、0.05、0.08 mm。并注明比这更严的公差需要特殊刀具和工序，费用可能增加^[1]

装夹、毛刺与已加工表面

塑料弹性模量低，用与金属相同的力夹紧时，会按夹紧时的形状被加工，松开后回弹，形状走样。Victrex 指出，夹紧力过大容易引起翘曲和变形，因此加工余量要均匀、对称地分配^[2]。

卡盘用软爪、大接触面：薄壁环要把软爪车成形以整圈承托，或在内孔侧装入垫块（芯塞）后再夹
板材用真空吸盘、双面胶、夹具代替台钳：分散夹紧力。只在单面大量切削会翘曲，所以两面要均匀切削^[1]
毛刺以“不产生”为先：毛刺取决于材料、刀具状态、进给、速度和冷却方式^[28]。保持刃口锋利，出口侧用垫板或顺铣
去毛刺用不加热的方法：用刀具轻轻刮除，或先冷却再去。用锉刀用力摩擦会因发热再次熔化而鼓起

玻璃纤维、碳纤维增强品种与刀具磨损

PEEK GF30（玻璃纤维 30%）、CF30（碳纤维 30%）以及 PAI、PPS 的增强牌号，即使树脂基体较软，纤维也会像磨粒一样磨损刀具。MCAM 写道，含玻璃纤维、碳纤维或石墨的塑料，必须使用聚晶金刚石（PCD）或 CVD 金刚石刀具。切削速度也要降到无填充品的一半左右（车削 100~200 m/min）^[1]。Victrex 也表示，有研磨性的增强牌号需要硬质合金、涂层硬质合金或金刚石刀具^[2]。

用齿距 4~6 mm 的带锯切断：普通圆锯会导致开裂^[1]
伸缩有方向性：GF30、CF30 的线膨胀系数在挤出方向为 4×10⁻⁵/K。数值随纤维方向而异，测量尺寸的方向要与图纸一致^[8][9]
不要吸入粉尘：含纤维的切屑会变成细粉。要集尘并佩戴防护用具

在树脂仍软的状态下切削纤维，树脂也可能因热而粘着在刀具上。一项以 PA66 为基体的热塑性 CFRP（碳纤维 45%）修边加工研究中，切屑为连续型；用金刚石电镀刀具磨削时，转速和进给越高，熔化的树脂越会附着在刀具上并产生起毛，加工力从 49 N 增至 100 N 以上。另一方面，在该条件下，比气温低约 15 ℃ 的冷风没有明显效果^[27]。对增强牌号来说，比“冷却”更优先的是靠刀具材质和速度不让热量产生。

塑料齿轮：成形与切削、强度与磨损

塑料齿轮在量产时用注塑成形，试制、小批量、大齿轮以及 PEEK 这类昂贵材料则用切削（滚齿、铣削）制作。其优点是轻、安静、无润滑也能运转、不生锈^[35]。切齿刀具和齿轮的基础知识整理在齿轮计算和齿轮学习中。

标准	规定了什么	用于切削齿轮时
JIS B 1702-3:2020	注塑塑料圆柱齿轮的精度等级（齿面和双面啮合的偏差）。模数 0.1~2.0 mm，分度圆直径 1~280 mm，齿数 3 以上，螺旋角 45° 以下，齿宽 0.2~40 mm^[29]	注塑齿轮的标准。切削齿轮按哪个标准、哪个等级指定，要在图纸和订单上确认
JIS B 1759:2019	塑料圆柱齿轮齿根弯曲强度的评价方法。通过运转试验求出材料的许用弯曲应力，评价对名义切向力的安全性。没有对应的国际标准^[30]	对象是注塑齿轮，但也可用于机加工齿轮。不过仅限于失效形式为齿根断裂的情况，磨损极度发展时不能使用^[30]

塑料齿轮强度标准的制定，日本精密工学会的成形塑料齿轮研究专门委员会也在推进。由于“不了解塑料齿轮就去设计而引发事故”“用得好本可降低成本却连考虑都没有”的例子很多，委员会参照金属齿轮的 ISO 6336 建立了强度计算的框架，先从 POM 的齿根弯曲强度着手，以与钢制标准齿轮无润滑对滚的耐久试验为基础来确定数值^[31][32]。

强度与磨损：温度影响一切

寿命往往由磨损而非弯曲决定：用挤出 POM 棒切削出的齿轮与钢、铸铁齿轮啮合进行无润滑运转试验，在低速、长寿命条件下，决定使用极限的是磨损而非断齿，且配对齿轮为钢时磨损比铸铁少^[33]
受热后侧隙减小：同一研究的后续报告指出，当摩擦热引起的膨胀大于磨损时，运转中的侧隙会比刚开始运转时小。磨损速度取决于载荷而非转速^[34]。塑料齿轮的中心距和侧隙，要考虑升温后的膨胀来确定
提高转速并不一定能延长寿命：POM 齿轮（50 ℃ 油润滑、恒定扭矩）的齿根断裂寿命在约 750 min⁻¹ 时最长，转速更高时热致失效占主导，寿命反而缩短。把齿根圆角做成应力集中小的形状后，各转速下的寿命都延长了^[35]。若是切削加工，齿根形状可以由刀具来做出
加大载荷会因热熔化：PVDF 齿轮（模数 3、齿数 17、钢制小齿轮、无润滑 1000 rpm）在 4 Nm 时 B10 寿命为 6.3×10⁶ 次，6 Nm 时齿根温度升到 123 ℃，8 Nm 时因热熔化而损坏^[36]
加油不一定就好：PEEK 与钢的滑动中，视条件不同，使用润滑油有时反而比无润滑磨损更严重^[37]。润滑剂要通过试验来选

PEEK 齿轮由塑料厂商 Victrex 以“VICTREX HPG”之名用注塑制造，称与金属齿轮相比重量减少 70%、转动惯量减少 80%，动力传动系统的噪声和振动最多可减少 50%（3 dB）。还把一道工序注塑成形、可省去二次加工、淬火和精加工列为成本上的理由^[38]。即量产用成形，试制和小批量用切削，各有分工。

人形机器人、协作机器人的关节与塑料齿轮

在人身边工作的机器人（协作机器人、服务机器人、人形机器人）中，对关节减速器轻量化、低噪音的要求很强，出现了采用塑料齿轮的动向。这里只列出经公司发布和技术资料确认的案例（截至 2026 年 10 月）。

协作机器人关节中的谐波齿轮装置（Harmonic Drive）的结构（示意图）。用椭圆凸轮使薄壁外齿轮挠曲，与齿数略多的内齿轮啮合，实现大减速比。塑料化的对象主要是薄壁外齿轮和内齿轮^[40][39]。

公司	在做什么	塑料齿轮的用法
Riken NPR × 哈默纳科（Harmonic Drive Systems）	2026 年 9 月 18 日宣布就“塑料谐波齿轮装置”的共同开发达成协议。面向服务机器人、可穿戴设备、小型移动工具等与人共享空间的用途，目标是与人接触时的安全性和通过轻量化降低能耗。这是着眼于将来商业化的开发^[39]	Riken NPR 已开发出将柔轮（薄壁外齿轮）和环形齿轮（内齿轮）改用超级工程塑料的谐波减速器，用途列举了协作机器人和 SCARA 机器人的末端、精密仪器，以及人形机器人的各个关节和手部等^[40]
igus	2022 年 6 月在汉诺威工业博览会上发布了人形服务机器人的试制品。手臂采用该公司的机械臂 ReBeL，每条手臂可承载 2 kg^[41]	ReBeL 关节的核心，是把无需润滑的塑料（tribo-polymer，摩擦学聚合物）谐波齿轮与电机、编码器、力控制和控制器集成为一体的单元^[41]
Victrex	从设计到制造，面向汽车、机器人和电动出行领域提供 PEEK 齿轮（VICTREX HPG）^[38]	称在协作机器人中可替代金属行星齿轮机构。未公布具体的机器人采用方^[38]

本文没有写的内容有报道和分析师认为某些人形机器人采用了 PEEK 齿轮或零件，但由于无法通过公司发布确认，本文没有收录。塑料齿轮在机器人关节中能用到什么程度，取决于上述开发的结果。

从机械加工的角度看，关节用塑料齿轮在量产时预计以成形为主，但试制和评价用的齿轮、成形模具、与塑料齿轮配套的金属零件（外壳、轴、凸轮）都是切削加工的工作。若要切削薄壁塑料齿轮，本文中的“装夹方法”“退火”“温度与尺寸”可以直接用上。

常见的 8 种失误

刚加工完测量合格，第二天却不合格：切削热和应力回弹使尺寸发生了变化。冷却后再测，精密件按粗加工→退火→精加工进行^[1][2]
孔塞规插不进孔：塑料的孔在加工后会缩小。底孔和铰刀的直径要根据实际切削结果来定^[1]
PC、PEI 事后开裂了：矿物油类切削油引起的应力开裂。改用风冷或水溶性切削液，使用后用 IPA 和纯水清洗^[1]
板材翘曲了：只在单面大量切削。两面均匀、对称地切削，必要时进行退火^[1]
环变成椭圆了：卡盘夹得太紧。用软爪、垫块整圈承托^[2]
GF30 刀具磨损很快：纤维在磨损刀具。换用 PCD、CVD 金刚石刀具，并降低速度^[1]
UHMW-PE、PA 缠绕在刀具上：进给太慢、刃口钝。提高进给和速度，换用 2~3 刃、大螺旋角的立铣刀^[1]
塑料齿轮在运转中卡死了：升温膨胀使侧隙消失。要考虑膨胀来确定中心距和齿厚^[34]

常见问题

切削塑料需要专用刀具吗？: 无填充的 POM、PA、PE，用锋利的 HSS 或硬质合金刀具就能切削。量大时硬质合金更耐用。含玻璃纤维、碳纤维的牌号或 PI 需要 PCD、CVD 金刚石刀具^[1]。共同的条件都是“锋利刃口、正或 0° 前角、较大后角”。
可以使用切削过金属的同一把刀具吗？: 用于金属后刃口变钝的刀具，在塑料上会摩擦发热，造成撕裂、毛刺和尺寸偏差。切削塑料时，最好用新刃口，或使用专门分出的塑料专用刀具。
PEEK 一定要退火吗？: 坯料多数已由厂商退火，加工余量小、公差有余量时有时可以省略。对于切削量大、壁薄、公差严或在高温下使用的零件，要在粗加工后退火再精加工。MCAM（250 ℃、10 分钟/mm）和 Victrex（200 ℃、1 小时/mm）的条件不同，要事先决定依据哪一种^[1][2]。
塑料零件的尺寸应在多少 ℃ 下测量？: 图纸尺寸以 20 ℃ 为基准。测量室不是 20 ℃ 时，用上面的计算器估算温度引起的部分，确认相对公差能否忽略。PEEK 100 mm、温差 8 ℃ 时变动约 0.04 mm，对于 ±0.05 mm 的公差就不能忽略。
尼龙零件在梅雨季节尺寸变了。: 尼龙吸水后会伸长。据称在水中饱和时最多可吸收约为自重 7% 的水，尺寸最多可能变化约 2%^[5]。需要尺寸稳定的部位，改用 POM、PEEK 等吸水少的塑料，或者先在使用环境中让尺寸稳定后再测量。
塑料齿轮用切削加工，强度和成形的一样吗？: 不一样。成形品和切削品在表层、纤维方向、残余应力等材料状态上不同，强度也可能不同。JIS B 1759 认为也可用于机加工齿轮，但材料的许用应力需要通过运转试验求出^[30]。

各材料的数值见材料数据库，测量的思路见测量误差基础，齿轮见齿轮学习和齿轮计算，切削条件的计算则汇总在计算器中。