不同刀具車削加工高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂切削力研究

侯曉莉 李 言 楊振朝 袁啟龍 石 珣

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

不同刀具車削加工高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂切削力研究

侯曉莉 李 言 楊振朝 袁啟龍 石 珣

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

文摘為探索高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料的切削加工性能，對(duì)該類材料進(jìn)行大直徑薄壁回轉(zhuǎn)類零件的車削加工。采用四種不同刀具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同切削參數(shù)及不同刀具材料對(duì)切削力的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：切削用量三要素中，切削深度對(duì)切削力的影響最大，其次是進(jìn)給量，而切削速度的影響很小。當(dāng)切削速度為119.32 mm/min、進(jìn)給量為0.1 mm/r、背吃刀量為0.5 mm時(shí)，為最優(yōu)切削參數(shù)。Ti-Al-Si-N納米涂層硬質(zhì)合金和超硬材料F2HX無涂層硬質(zhì)合金刀具適合于低速加工，而PCD刀具則適合于高速加工。

高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料，硬質(zhì)合金刀具，PCD刀具，切削力

0 引言

近年來，高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料作為防/隔熱一體化材料被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其成型工藝簡(jiǎn)單、成本低、防熱性能適中，主要被應(yīng)用到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中[1]。該復(fù)合材料基體相是熱固性酚醛樹脂，其脆性大，損傷容限低，固化時(shí)有小分子揮發(fā)物生成，強(qiáng)度較高但均勻性較差。酚醛樹脂密集處脆性大，切削時(shí)容易崩裂；若有含小分子的區(qū)域，分子間結(jié)合力較小而纖維密集處則不易切斷。增強(qiáng)相為高純度氧化硅非晶體連續(xù)纖維，具有較高的耐熱性[2-5]。很多學(xué)者都對(duì)該種材料的制備工藝、燒蝕特性、熱力學(xué)特性等進(jìn)行過大量的分析研究，但是對(duì)零件切削加工中的工藝問題涉及較少[6-12]。該種復(fù)合材料零件凈成型后精度不夠，必須經(jīng)過再次切削加工，若刀具不鋒利而切削進(jìn)給量過大時(shí)，可能導(dǎo)致纖維被成片的撕扯而產(chǎn)生工件表面質(zhì)量缺陷。另外，由于切削中非金屬較差的導(dǎo)熱性使得切削溫度升高，為了穩(wěn)定材料組織成分，只能采用無切削液的干式切削，因此切削區(qū)域產(chǎn)生的大量切削熱不易被切屑帶走而使得刀具極易磨損變鈍，甚至刀尖破損，進(jìn)而影響表面質(zhì)量、尺寸精度并嚴(yán)重影響加工效率。航空飛行器的燒蝕熱防護(hù)結(jié)構(gòu)大多為回轉(zhuǎn)體薄壁類零件，剛性差易變形，其邊緣結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)翻邊和崩邊現(xiàn)象，所以要求切削加工時(shí)，切削力對(duì)加工精度和表面質(zhì)量等的影響十分敏感[13-15]。本文通過對(duì)該種復(fù)合材料的車削試驗(yàn)，采用四種不同材料刀具研究分析切削用量三要素對(duì)切削力的影響規(guī)律，以便為加工此類材料零件切削過程提供切削用量選擇、切削力控制和刀具選擇的依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1設(shè)備儀器及材料

試驗(yàn)中采用的整體裝置見圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備采用C6140普通車床；切削力測(cè)量用Kistler-9257B三向壓電晶體式測(cè)力儀和Kistler-5070電荷放大器；數(shù)據(jù)采集使用北京波普多通道數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，并與計(jì)算機(jī)連接輸出瞬時(shí)切削力和波形。試件外徑190 mm、內(nèi)徑140 mm、長(zhǎng)200 mm的圓筒狀高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料，其主要的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

1.2刀具的選擇

本文采用針對(duì)難加工材料常用的硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具對(duì)高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)。其中硬質(zhì)合金刀具選擇了帶有不同的涂層材質(zhì)，試驗(yàn)中具體所使用刀具如表2所示。

表2 試驗(yàn)用四種刀具

Tab.2 Test cutting tools

在車削加工該類復(fù)合材料時(shí)，切屑大多呈粉末或顆粒狀，因此不存在斷屑和排屑問題，所以刀具前角可選取小些。為了使材料切削表面不出現(xiàn)“拉撕”現(xiàn)象，刀具刃口盡可能鋒利，同時(shí)又能保證刀具高強(qiáng)度，不發(fā)生卷刃、崩刃現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究總結(jié)，本試驗(yàn)刀具采用20 mm×20 mm外圓車刀刀桿，C型車刀片，四種刀具的幾何角度參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)用刀幾何角度參數(shù)

1.3試驗(yàn)方案

以切削用量三要素為試驗(yàn)的三個(gè)因素，以切削力作為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)切削用量三要素的使用需求，各因素以及水平的選取情況如表4所示，四種不同刀具根據(jù)各因素水平分別進(jìn)行車削試驗(yàn)。

表4 試驗(yàn)因素及水平表

2 結(jié)果與討論

表5為切削力試驗(yàn)結(jié)果，分析表中數(shù)據(jù)可以看出，不論試驗(yàn)中采用哪種材料刀具，與進(jìn)給量和切削速度兩個(gè)因素相比，切削深度的變化幅度最大，說明它在切削三要素里面對(duì)切削力影響最大。

圖2為多刀具切削力對(duì)比圖。圖2(a)反映出在較低切削速度和較大背吃刀深度情況下，試驗(yàn)采用的四種刀具材料切削力均比較大。尤其是2刀具，具有TiN鍍層硬質(zhì)合金刀具的三向切削分力最為突出。圖2(d)反映出在高切削速度，較小切削深度的情況下，1刀具，具有Ti-Al-Si-N納米涂層硬質(zhì)合金刀具的各向切削力明顯高于其他三種材質(zhì)刀具。

表5 不同刀具材料切削力試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Test results of cutting force using different cutting tools

對(duì)比圖2中四幅柱狀圖，反映出PCD刀具在切削該種復(fù)合材料時(shí)優(yōu)于其他三種刀具，但在低速時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯，高速切削時(shí)較為突出。高速切削時(shí)由于切削溫度的快速上升，該復(fù)合材料局部散熱的不利，使得各種硬質(zhì)合金刀具加速磨損，出現(xiàn)切削力較大的現(xiàn)象。

圖2(c)反映出最優(yōu)的切削參數(shù)為v=119.32 mm/min;f=0.1 mm/r;ap=0.5 mm。

在切削試驗(yàn)過程中，直觀觀測(cè)四種不同刀具加工的表面質(zhì)量，PCD刀具優(yōu)于Ti-Al-Si-N納米涂層硬質(zhì)合金刀具優(yōu)于TiN鍍層硬質(zhì)合金優(yōu)于超硬材料F2HX無涂層硬質(zhì)合金刀具。

3 結(jié)論

(1)切削用量三要素中，切削深度對(duì)切削力的影響最大，其次是進(jìn)給量，而切削速度的影響最小。

(2)Ti-Al-Si-N納米涂層硬質(zhì)合金和超硬材料F2HX無涂層硬質(zhì)合金刀具適合于低速下切削，PCD刀具適合于高速加工，而TiN鍍層硬質(zhì)合金刀具由于在相同切削參數(shù)下切削力大，工件表面質(zhì)量不高的情況下不適合加工該復(fù)合材料。

(3)考慮到減小切削力，并獲得較好的表面質(zhì)量，PCD刀具最適合加工該種復(fù)合材料。但是因?yàn)镻CD刀片是燒結(jié)在硬質(zhì)合金上，所以刀片的切削刃比較短，因此，在使用PCD刀片加工該復(fù)合材料時(shí)切削深度ap又不宜太大；為提高加工效率，宜采用較高的切削速度、較大的進(jìn)給量。

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Experimental Study on Cutting Force of High Silica Glass Fiber/Phenolic Resin Composites With Different Cutting Tools

HOU Xiaoli LI Yan YANG Zhenchao YUAN Qilong SHI Xun

(School of Mechanic and Precision Instrument Engineer, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048)

In order to investigate the machinability of high silica glass fiber/phenolic resin composites，the turning process of the large diameter thin-wall rotary parts is carried out .The experiment was done with four kinds of cutting tools, the effects of different cutting parameters and cutting tool materials on cutting force are obtained. The results demonstrate that in three cutting parameters, cutting depth has the greatest influence on cutting force, followed by cutting feed, and the cutting speed is very small. The optimal cutting parameters can be obtained whenv=119.32mm/min,f=0.1mm/r andap=0.5mm . Ti-Al-Si-N nano coated carbide and super-hard material F2HX uncoated carbide tools are suitable for cutting the material at the low cutting speed, the PCD tool is suitable for high speed machining.

High silica glass fiber/phenolic resin composite, Carbide tool, PCD tool, Cutting force

TG506

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.014

2017-05-03

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51505377)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃(2015SZSj-45)；陜西省科技廳(陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目)(2015JQ5182)。

侯曉莉，1979年出生，工程師，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)的研究。E-mail: xiaolihou@xaut.edu.cn