玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械切割性能研究

鄭彥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械切割性能研究

Research on the Mechanical cutting performance of glass f ber reinforced composites

鄭彥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

本文利用單因素法研究了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械切割性能，主要測(cè)試切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，得出切削參數(shù)之間存在的必然關(guān)系。提出切削參數(shù)關(guān)系因子，同時(shí)在低速切割過程中對(duì)切削參數(shù)關(guān)系因子的臨界值進(jìn)行了設(shè)定，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工工藝參數(shù)進(jìn)行取值，以供研究及加工參考。

玻璃纖維；切削參數(shù)；復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造過程中，制品成型后需要進(jìn)行機(jī)械加工，以符合裝配和連接的精度標(biāo)準(zhǔn)［1］。機(jī)械加工精度及表面質(zhì)量影響著復(fù)合材料構(gòu)件的可靠性與使用性能，而復(fù)合材料加工工藝?yán)碚撗芯恳渤蔀閭涫荜P(guān)注的重要課題。研究材料的機(jī)械切割性能，對(duì)避免切割面拉毛、摩擦燒焦等現(xiàn)象的發(fā)生具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 切割方案

采用立臥復(fù)合銑床X6532進(jìn)行切割試驗(yàn)。試驗(yàn)增強(qiáng)材料為高強(qiáng)玻璃纖維布，基體材料為MFE—2乙烯基酯樹脂。手工鋪層制備試件，纖維含量為50%；試件尺寸為4.3 mm×70 mm×50 mm。試驗(yàn)加工如圖1所示，工作臺(tái)以進(jìn)給量f帶動(dòng)試件沿X方向進(jìn)行移動(dòng)，形成切割。改變切削參數(shù)，獲取切削力Fx和Fy，利用顯微鏡對(duì)切割后材料的加工表面及C面毛刺隆起情況進(jìn)行觀察，評(píng)價(jià)切削參數(shù)對(duì)加工缺陷產(chǎn)生的影響，分析切削參數(shù)間的關(guān)系。

1.2 切割方式

采用不對(duì)稱順切方式進(jìn)行切割，切割過程中，刀具旋轉(zhuǎn)與工件進(jìn)給方向一致。從某一點(diǎn)開始切入工件，材料最上層受向下壓的切割分力的影響，纖維材料因預(yù)拉應(yīng)力而被切斷，避免了纖維纏繞隆起問題的發(fā)生。而加工邊緣C面由于沒有墊板的支撐，切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生毛刺隆起現(xiàn)象。

圖1 試驗(yàn)加工圖

1.3 質(zhì)量評(píng)定

高速切割過程中，砂輪與工件的高速摩擦使材料的加工表面產(chǎn)生切削熱，容易出現(xiàn)摩擦燒焦及拉毛等問題，對(duì)加工表面強(qiáng)度的影響較大；低速切割過程中，材料來(lái)不及被切斷的情況下容易被強(qiáng)行拉斷，產(chǎn)生毛刺隆起及分層等問題，對(duì)加工表面強(qiáng)度及質(zhì)量造成一定影響［2］。所以，需要對(duì)合理的切削參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以避免上述問題的發(fā)生。試驗(yàn)以試件邊緣C面毛刺隆起的大小作為指標(biāo)對(duì)試件加工表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

2 結(jié)果

2.1 進(jìn)給量的影響

采用單因素法［3］，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，改變進(jìn)給量f，對(duì)切削力Fx和Fy進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示：切削力Fx和Fy隨著進(jìn)給量f的增大而增加，F(xiàn)y呈線性增加，F(xiàn)x以進(jìn)給量f 360 mm/min為界限，之前變化趨勢(shì)緩慢，之后較大增加。從進(jìn)給量為360 mm/min開始，試件邊緣C面毛刺隆起現(xiàn)象比較明顯，加工過程中出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象；進(jìn)給量越大，毛刺越大，夾具的振動(dòng)就越大。對(duì)工件的進(jìn)給速度進(jìn)行增加，砂輪磨粒的切削厚度增加，隨之切削力逐漸增加。因此，進(jìn)給量的設(shè)定不應(yīng)過大。

2.2 轉(zhuǎn)速的影響

采用單因素法，設(shè)置進(jìn)給量為160 mm/min，改變轉(zhuǎn)速，對(duì)切削力Fx和Fy進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示：切削力隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，轉(zhuǎn)速逐漸增加，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切割的總磨粒數(shù)隨之增多，影響每顆磨粒的切割厚度逐漸變小，最終導(dǎo)致切削力變?。?］。轉(zhuǎn)速≤750 r/min時(shí)，出現(xiàn)周期狀大毛刺，同時(shí)切割時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)。當(dāng)進(jìn)給量為160 mm/min、轉(zhuǎn)速為620 r/min時(shí)，利用顯微鏡對(duì)C面毛刺隆起的形貌和對(duì)應(yīng)的切割力采集界面進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示x和y向力表現(xiàn)為間歇狀變化，刀具進(jìn)行間斷切削，產(chǎn)生頻率的沖擊較高，形成的力為急劇增長(zhǎng)。較低轉(zhuǎn)速時(shí)，刀具切割纖維比較困難，且纖維容易被拉出基體，觀察C面顯示纖維被呈束拉斷。

3 分析

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知順利完成切割，必需確保進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速之間滿足一定的關(guān)系。定義R為切削參數(shù)關(guān)系因子，其表示砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈試件所移動(dòng)的距離為：R=進(jìn)給量/轉(zhuǎn)速。

進(jìn)給量影像中，以R=360/1600=0.225 mm/r為臨界點(diǎn)；轉(zhuǎn)速影響中，以R=160/750=0.21 mm/r為臨界點(diǎn)。當(dāng)R分別小于此數(shù)值時(shí)，切削狀況就處于良好狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)明顯的毛刺現(xiàn)象，且切割過程比較穩(wěn)定。為消除進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速設(shè)置的偏差及砂輪圓度和測(cè)力系統(tǒng)的偏差，取平均值設(shè)定臨界值RL=0.217，R小于0.217時(shí)，切割過程會(huì)較為順利。本實(shí)驗(yàn)砂輪直徑D為40 mm，由于切割過程與纖維強(qiáng)度、含量及砂輪狀況有一定聯(lián)系，基于上述試驗(yàn)的通用性，對(duì)“R=進(jìn)給量/轉(zhuǎn)速”一式進(jìn)行修正，得：

上述算式中，K1、K2、K3分別表示為纖維含量系數(shù)、強(qiáng)度系數(shù)及砂輪狀況系數(shù)；纖維含量大于50%時(shí)，K1＞1；纖維強(qiáng)度大于高強(qiáng)玻纖強(qiáng)度時(shí)，K2＞1；本實(shí)驗(yàn)砂輪粒度為150#。對(duì)于同樣的砂輪和試件而言，設(shè)定砂輪直徑為30 mm時(shí)，K1、K2、K3均為1，此時(shí)RL=0.162為臨界值，切割時(shí)應(yīng)以R＜0.162來(lái)取值。除考慮RL外，轉(zhuǎn)速的取值不應(yīng)過大。轉(zhuǎn)速越高，影響切削溫度升高，基體容易熔化粘在刀具上，對(duì)切割產(chǎn)生一定影響。為確保切割表面質(zhì)量，進(jìn)給量的設(shè)定不應(yīng)過大。

4 結(jié)語(yǔ)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件制品成型后需要進(jìn)行切割和修邊的機(jī)械加工，機(jī)械切割過程中，復(fù)合材料容易出現(xiàn)抽絲、摩擦燒焦、拉毛及隆起等問題，對(duì)制品加工表面質(zhì)量的影響較大。因此，復(fù)合材料機(jī)械切割性能的研究十分必要。本文對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械切割性能進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：切割力隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進(jìn)給量的增加而增加；選取切削參數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速的設(shè)定不宜過大，否則工件表面容易燒蝕；進(jìn)給量的設(shè)定不宜過大，否則加工表面的粗糙度會(huì)受到影響。對(duì)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量進(jìn)行選取，需要同時(shí)兼顧切割效率和切割質(zhì)量。

［1］ 王俊，劉偉慶，胡世俊等. U型截面GFRP-泡桐木夾層板抗彎性能研究［J］. 建筑材料學(xué)報(bào)，2014，17（2）：361～368.

［2］ 王曉璐，查曉雄. 高溫下GFRP筋力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（9）：75～81.

［3］ 張秀麗，王棟，張全國(guó)，等. 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的干式磨削加工技術(shù)研究［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2013，27（18）：129～132.

［4］ 熊慧中，單煒，王平等. 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在輕質(zhì)人行天橋上的應(yīng)用［J］. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2014，10（5）：64～68.

TB332

1009-797X （2015） 16-0005-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.002

鄭彥（1987-），男，太原理工大學(xué)碩士研究生，控制理論與控制工程專業(yè)。

2015-06-27