高速銑削天然大理石切削特性研究*

宗宇鵬，吳玉厚，趙德宏

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)　110168)

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高速銑削天然大理石切削特性研究*

宗宇鵬，吳玉厚，趙德宏

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110168)

摘要：為了給大理石材料表面完整性研究提供充分的依據(jù)，使大理石材料高速銑削加工參數(shù)得到優(yōu)化。該實(shí)驗(yàn)在不同的切削參數(shù)下對(duì)大理石試件進(jìn)行銑削加工，分析了大理石材料的切削機(jī)理，采用掃描電鏡觀察加工后大理石試件表面形貌，分析了加工參數(shù)的變化對(duì)表面質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，加工表面質(zhì)量不斷提高，但切削深度的增加，使大理石加工表面質(zhì)量降低。

關(guān)鍵詞：高速銑削；加工參數(shù)；大理石；表面完整性

0引言

大理石作為建筑裝飾業(yè)的主要裝飾材料，因其具有穩(wěn)定的物理性能與化學(xué)性能，用于加工各種型材、板材等。大理石屬于硬脆性材料，材料的硬度高，塑性很小，抗拉強(qiáng)度也很低，在切削加工時(shí)，若想獲得理想的加工精度并不是很容易。國(guó)內(nèi)外對(duì)脆性材料的切削特性研究較多、起步較早，并歸納總結(jié)脆性材料切削機(jī)理為三大模型：拉伸斷裂類切削機(jī)理模型、剪切斷裂類切削機(jī)理模型、拉剪聯(lián)合切削機(jī)理模型[1]。在國(guó)內(nèi)，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)于曉琳等人采用PCD刀具對(duì)干式切削和水溶性冷卻液澆注冷卻的濕式切削兩種切削條件下的高速銑削高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，干式切削無(wú)論是在工件已加工表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，還是在切屑形成及形貌上都好于濕式切削，兩種切削條件下均可獲得較理想的表面粗糙度[2]；西北工業(yè)大學(xué)姚倡鋒等人對(duì)高速銑削TC11鈦合金的表面粗糙度與表面形貌進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明：采用硬質(zhì)合金刀具材料加工TC11鈦合金時(shí)，選用前角為80的刀具時(shí)表面粗糙度小，銑削速度優(yōu)選從314m/min~377m/min范圍，每齒進(jìn)給量?jī)?yōu)選從0.03mm/z~0.05mm/z范圍[4]。在國(guó)外，Cha-Haron對(duì)車削鈦合金的表面完整性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明已加工表面存在微觀組織的變化和顯微硬度的增加，當(dāng)?shù)毒唛L(zhǎng)時(shí)間處于磨損狀態(tài)加工時(shí)，已加工表面存在嚴(yán)重的塑性變形和硬化[11]。雖然國(guó)內(nèi)外在脆性材料加工方面取得了一些關(guān)鍵的研究成果，但目前為止，針對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)大理石切削機(jī)理的研究還是很少。本文研究以高速銑削天然大理石為例，通過(guò)加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析了基于涂層刀具銑削天然大理石工件的切削機(jī)理，及不同銑削參數(shù)加工的大理石試件表面形貌特征的變化規(guī)律，給大理石材料表面完整性研究提供充分的依據(jù)。

1大理石斷裂機(jī)理分析

由于大理石本身就是一種有眾多缺陷的脆性多晶體材料，所以在大理石加工過(guò)程中破碎區(qū)域前端會(huì)出現(xiàn)許多隨機(jī)方向的裂紋源，在線性斷裂力學(xué)中，應(yīng)變能釋放率G和應(yīng)力強(qiáng)度因子K是判斷裂紋發(fā)生擴(kuò)展的重要判據(jù)，根據(jù)轉(zhuǎn)換定律和能量守恒定律，當(dāng)裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)所釋放的能量(即應(yīng)變能釋放率G)超過(guò)裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)所需要的能量(即裂紋擴(kuò)展阻力Gc)時(shí)，裂紋將擴(kuò)展，基本條件是：

G>Gc

但是上述裂紋擴(kuò)展條件在實(shí)際使用時(shí)不夠方便，因此常采用裂紋前端的應(yīng)力場(chǎng)來(lái)表示裂紋擴(kuò)展條件，在平面應(yīng)變條件下，裂紋擴(kuò)展的條件為：

KI≥KIC

式中，KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子；KI為平面應(yīng)變條件下的臨界值。

切削材料在外力的作用下，裂紋尖端附近應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到其臨界值時(shí)，裂紋就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致被切削區(qū)材料的斷裂。

在大理石高速銑削過(guò)程中，刀刃附近材料內(nèi)部的裂紋向刀刃的前下方擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展過(guò)程為1-2-3-4，如圖1所示，最終穿過(guò)自由表面而結(jié)束。

圖1　大理石裂紋擴(kuò)展過(guò)程

階段1發(fā)生在刀刃附近的材料內(nèi)部，是由于較大的張應(yīng)力產(chǎn)生裂紋和裂紋的擴(kuò)展過(guò)程(G>Gc)。裂紋擴(kuò)展的速度比刀具前進(jìn)的速度要快得多，在達(dá)到某一距離后停止。對(duì)于大理石這類硬脆材料，裂紋產(chǎn)生的位置取決于刀刃前方材料內(nèi)的應(yīng)力分布狀況，多數(shù)位于刀刃前下方的區(qū)域。階段2是一度停止的裂紋的再擴(kuò)展過(guò)程。再擴(kuò)展的最初方向取決于裂紋前端特定的應(yīng)力場(chǎng)，一般在一度停止的裂紋延長(zhǎng)線下方，之后就沿著再擴(kuò)展之前的最小主應(yīng)力方向進(jìn)行。在再擴(kuò)展過(guò)程中，刀具前刀面前方的一部分材料(A部)突然破碎，由于特定應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，裂紋開(kāi)始向上轉(zhuǎn)折進(jìn)入第3階段，之后沿著裂紋轉(zhuǎn)折前的最小主應(yīng)力方向繼續(xù)擴(kuò)展。裂紋上部(B部)的材料破碎，裂紋進(jìn)入第4階段。此時(shí)，由特定的應(yīng)力場(chǎng)確定的擴(kuò)展方向及最小主應(yīng)力方向都指向前上方，裂紋穿過(guò)上部的自由表面，形成粒狀、片狀切屑。

在銑削加工時(shí)，裂紋的擴(kuò)展過(guò)程從1開(kāi)始到4結(jié)束，但不一定要經(jīng)過(guò)2、3階段。從1、2到4或從1突然轉(zhuǎn)向4都是可能的。如果裂紋上方的材料能夠早一些去除，裂紋就不會(huì)再向下方擴(kuò)展，就可以得到較好的加工表面；如果裂紋向前下方的擴(kuò)展最初就不曾發(fā)生，或者即使發(fā)生也非常短暫，那么就可以獲得更好的加工表面。

2大理石切削機(jī)理分析

利用CVD涂層刀具切削天然大理石時(shí)，可以觀察到被切削大理石在刀刃擠壓作用下，在刀刃附近產(chǎn)生裂紋。裂紋先向前下方擴(kuò)展，深度超過(guò)切削深度；然后一邊前進(jìn)一邊向上方擴(kuò)展，最后穿過(guò)上方自由表面，這時(shí)，形成較大的薄片切屑，并在表面上留下溝痕，這種情況稱為大規(guī)模擠裂；如果在這種狀態(tài)下繼續(xù)切削實(shí)際切除的只是崩碎后的殘留部分，這時(shí)發(fā)生小規(guī)模擠裂，生成切削表面較為平滑的部分，如圖2所示，在小規(guī)模擠裂發(fā)生之后，刀刃前方的材料就形成與切削表面近似垂直的形狀，切削深度再次增大，切削該部分材料時(shí)，將再次發(fā)生大規(guī)模擠裂。大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進(jìn)行，工件材料就這樣被切除，加工表面形成，如圖3所示，采用日立S4800掃描電鏡高倍觀察加工表面后可以發(fā)現(xiàn)，在刀軌旁邊存在大量分子團(tuán)，這是由于較大的薄片切屑被擠裂形成的分子顆粒聚集在一起。

圖2　大理石材料的去除過(guò)程

圖3　大理石切屑形貌

大規(guī)模擠裂和小規(guī)模擠裂的交替過(guò)程也可用四個(gè)階段來(lái)描述：

(1)大規(guī)模擠裂階段：在該階段發(fā)生大塊破碎切除，形成片狀或顆粒狀切屑，同時(shí)在加工表面上形成大而深的凹坑。

(2)空切階段：刀具在大凹坑上方行進(jìn)，與材料不接觸，相當(dāng)于空切。

(3)小規(guī)模擠裂階段(微小塊破碎切除)：刀具繼續(xù)前進(jìn)，與帶有斜坡的坑壁接觸，進(jìn)一步切削。由于實(shí)際切厚很小，只發(fā)生小規(guī)模擠裂和微小塊破碎切除，形成粉末狀切屑，在加工表面上形成很淺的凹坑。

(4)小規(guī)模擠裂階段(次小塊破碎切除)：由于坑壁呈斜坡?tīng)睿M(jìn)一步切削，切削厚度逐漸增加，切離的材料塊較前一階段增大，在加工表面上形成的凹坑也較前一階段略大略深。

(3)、(4)階段也可進(jìn)行多次，直至下一次大規(guī)模擠裂發(fā)生。

一般來(lái)說(shuō)，小規(guī)模擠裂發(fā)生在切削深度較小的情況下，或發(fā)生在大規(guī)模擠裂之后切削深度變小的情況下。此時(shí)，刀具前方的材料發(fā)生細(xì)微的破碎，形成粒狀或粉末狀的切屑。發(fā)生破碎的邊界，與刀具前刀面前方材料的最大剪應(yīng)力面的位置相一致。因此，可以認(rèn)為破碎是由于剪應(yīng)力引起的。另外，由于刀刃后方的材料內(nèi)存在有拉應(yīng)力，可能會(huì)產(chǎn)生與表面大體相垂直的裂紋。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)條件

機(jī)床：異型石材車銑復(fù)合數(shù)控加工中心，日立S4800掃描電鏡，刀具采用直徑為6mm的CVD球頭刀，工件材質(zhì)：試驗(yàn)采用天然大理石，形狀為環(huán)形，其中內(nèi)徑尺寸50，外徑尺寸100，如圖1所示，吸水率為0.16%、體積密度為2800kg/、抗彎強(qiáng)度10.3MPa、抗壓強(qiáng)度1072MPa，冷卻方式：外部水冷。天然大理石的主要成分如表1所示。

(a)日立S4800掃描電鏡　　　　(b)HTM50200數(shù)控加工中心

(c)大理石試件

成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方解石90%白云石5%蛇紋石2%石灰石1%其他2%

3.2實(shí)驗(yàn)方案

徑向切寬ad=10mm，軸向切深ap=2、4、6、8(mm)，主軸轉(zhuǎn)速n=2000、4000、6000、8000(r/min)，每齒進(jìn)給量fz=0.05mm/z。

將天然大理石試件在不同的工藝參數(shù)組合下沿內(nèi)孔壁進(jìn)行圓周銑削(減小軸向力)，把加工后的試件表面用水刀切下來(lái)，經(jīng)過(guò)除塵、干燥后用SEM掃描電鏡觀測(cè)表面形貌。

3.3銑削工件表面形貌分析

圖5為大理石材料已加工表面形貌的高倍SEM照片，通過(guò)觀察加工表面能夠發(fā)現(xiàn)，加工后工件表面產(chǎn)生表面紋理，它是工件與銑刀相對(duì)運(yùn)動(dòng)后最終形成的表面形貌，清楚地映射出了銑刀切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖易看出，工件表面上復(fù)刻了刀具切削刃形狀，在刀具的切削軌跡上分布著沿切削運(yùn)動(dòng)方向細(xì)小的溝槽，其的產(chǎn)生有兩個(gè)方面的原因:一是刀具磨損表面上粗糙溝槽在工件切削表面上的復(fù)刻，二是刀具表面上硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)工件切削表面的犁耕。犁壟不但影響到已加工表面粗糙度，而且還反作用于刀具表面，使附加溝槽產(chǎn)生在刀具表面上，使刀具磨損加劇，形成惡性循環(huán)。已加工表面上存在著顆粒脫落留下的不規(guī)則凹坑，加工中，有些顆粒破碎，另一些碎屑拔出形成凹陷，有些顆粒被刀具推擠在加工表面耕犁形成犁溝，這些顆?？赡苊撀浠虮坏毒邏喝氡砻?，產(chǎn)生上述現(xiàn)象是由于在高速切削過(guò)程中，材料受到強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，粘結(jié)相發(fā)生塑性變形，表層晶粒間的某些粘結(jié)相被擠出，隨著粘結(jié)相的流失，破壞了穩(wěn)定的骨架，使某些顆粒不斷拔出，晶粒脫落和相擠出使加工表面的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)孔洞。

圖5　大理石表面形貌高倍SEM照片

圖6為不同轉(zhuǎn)速銑削表面處放大50倍的表面形貌。能夠發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速?gòu)膎=2000r/min至變化，切削深度(ap=2mm)和進(jìn)給速度恒定時(shí)銑削表面同一區(qū)域的表面加工質(zhì)量隨著轉(zhuǎn)速的增加呈減小趨勢(shì)，如圖4所示。切削深度從ap=2mm至ap=8mm變化時(shí)的表面加工質(zhì)量整體上呈下降趨勢(shì)。

在切削過(guò)程中，傳遞給工件的熱量與切削力的綜合作用直接影響著工件的表面加工質(zhì)量。一方面，高速銑削時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，切削功率增加，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量相應(yīng)地增加，因此切削溫度提高，軟化了切屑底層，形成了很薄的微熔層，從而抑制加工表層材料的粘著和脫落，導(dǎo)致表面在反復(fù)碾壓作用下趨于光滑，刀具與切屑的摩擦系數(shù)降低，這時(shí)切屑變形時(shí)間減少，也導(dǎo)致切屑變形系數(shù)降低，因而，切削力減小，減少了粘結(jié)相的塑性變形，使得晶粒牢固緊湊，減少了晶粒的脫落、撥出，不僅減少了凹坑的產(chǎn)生，而且減少了晶粒對(duì)加工表面的耕犁；另一方面，由于切削速度增大時(shí)基體材料應(yīng)變率增大，基體還來(lái)不及變形，顆粒就被切斷而不是拔出，因此減少了凹坑和裂紋的產(chǎn)生；此外，由于轉(zhuǎn)速的增加，切屑去除速度加快，大部分熱量被切屑帶走，所以加工后表面殘余應(yīng)力降低，減少了裂紋的產(chǎn)生。如前所述，高速銑削過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的提高，傳遞給工件的熱量作用與切削力持續(xù)削弱，零件表面光潔度也隨之降低。

n=2000r/min　　　　　　　　　　　n=4000r/min

n=6000r/min　　　　　　　　　　　n=8000r/min

隨著切削深度的增加，在進(jìn)給量恒定的前提下，切削面積增大，切削力增加，加劇了刀具與工件表面的摩擦，粘結(jié)相發(fā)生嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致晶粒劇烈的脫落、拔出，產(chǎn)生了較多的凹坑與裂紋，加工表面由耕犁所產(chǎn)生的犁溝也增加，因此表面光潔度降低。

4結(jié)束語(yǔ)

(1)高速銑削大理石材料時(shí)，大規(guī)模擠裂和小規(guī)

模擠裂交替進(jìn)行。

(2)在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min至8000r/min，銑削表面粗加工質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，切削深度從ap=2mm至ap=8mm變化時(shí)的表面加工質(zhì)量整體上呈下降趨勢(shì)。

(3)切削深度的增加導(dǎo)致切削力的增加，而切削速度的增加是切削力降低。

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(編輯李秀敏)

Study on Natural Marble Cutting Characteristics under High-speed Milling

ZONG Yu-peng,WU Yu-hou,ZHAO De-hong

(School of Mechanic Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China)

Abstract：To provide the research of surface integrity of marble material with adequate basis,and make the high speed milling parameters of marble material optimized.this experiment mill the marble specimen under different cutting parameters,analyze the cutting mechanism of marble material, obsever proces-sed marble specimen surface morphology by SEM,and analyze the influence of processing parameter change on the surface quality. Founding that with the increase of spindle speed, the processing surface quality was enhanced unceasingly, but with the increase of cutting depth, the marble processing surface quality was becoming low.

Key words：high-speed milling; machining parameters; marber; surface intergrity

中圖分類號(hào)：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：宗宇鵬(1990—)，男，遼寧建平縣人，沈陽(yáng)建筑大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)與應(yīng)用，(E-mail)1290975102@qq.com；吳玉厚(1955—)，遼寧海城人，男，沈陽(yáng)建筑大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫芗庸ぜ夹g(shù)、數(shù)控裝備及技術(shù)，(E-mail)wuyh@sjzu.edu.cn。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375317)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014020069)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(ITR1160)

收稿日期：2015-05-23；修回日期：2015-06-24

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0033-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.009