陶瓷刀具銑削高密度纖維板的磨損分析研究

衛(wèi)　宏 ，郭曉磊，張　清 ，朱兆龍 ，曹平祥 ，丁建文

（1.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；2.藍幟(南京)工具有限公司，江蘇 南京 211100）

陶瓷材料具有優(yōu)異的耐熱性、耐磨性、高硬度以及化學穩(wěn)定性，應(yīng)運而生的陶瓷刀具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬切削[1-2]。但陶瓷刀具脆性較強，加之木材的高度各向異性，且切削速度較高，可達到金屬的5倍左右，陶瓷刀具在切削木材過程中極易造成崩刃破損，導致其在木材切削中的應(yīng)用受到一定的限制[3-4]。近年來，市場上出現(xiàn)了改性增韌的Si3N4基陶瓷和Al2O3基陶瓷材料，極大地提高了陶瓷刀具材料斷裂韌性和強度，為其應(yīng)用于木材切削領(lǐng)域提供了可能性[5-6]，同時，市場上還出現(xiàn)了類似的增強木塑復合材料，提高了復合材的力學性能和熱穩(wěn)定性[7]。進一步證實了陶瓷材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

伴隨著木材加工行業(yè)的不斷發(fā)展，高密度纖維板（HDF）以其質(zhì)軟耐沖擊，強度較高，壓制好后密度均勻，在家具、建筑、包裝等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[8-9]。但關(guān)于陶瓷刀具銑削HDF的研究較少，對如何提高陶瓷刀具銑削HDF的切削性能、優(yōu)化切削參數(shù)仍存在諸多不解的問題[10-11]。

本試驗利用TiC增韌的Al2O3陶瓷刀具銑削HDF，通過研究切削速度，切削長度變化對切削力及刀具磨損的影響，揭示陶瓷刀具銑削HDF的切削性能及磨損機理，為陶瓷刀具應(yīng)用于木材加工業(yè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1　試驗

1.1　試驗設(shè)備及材料

本試驗是利用南興MGK01高速木材復合加工中心進行銑削加工，采用TiC增韌的Al2O3陶瓷刀具（刀片型號：TPGN160308T00820，刀盤型號：ZS_D10006_11_06，由京瓷集團生產(chǎn)）對HDF進行逆銑。Al2O3陶瓷刀具的機械性能參數(shù)如表1所示，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。該試驗按照木工刀具的特點，設(shè)計加工了7組不同結(jié)構(gòu)的刀片進行切削試驗，本試驗就其中一組刀片的切削性能及磨損進行詳細的分析，其角度參數(shù)為：前角6°、楔角70°、后角14°。試驗所用的切削加工工件為高密度纖維板，工件規(guī)格與特性見表2，根據(jù)加工中心構(gòu)造及測力儀結(jié)構(gòu)尺寸，將試件預(yù)先加工成大小合適的尺寸：150 mm(長)×80 mm(寬)×10.7 mm(厚)。

圖1　陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1　Structure parameters of ceramic cutting tool

表1　陶瓷刀具的材料組成及機械性能Table 1　Material composition and mechanical properties of ceramic tool

表2　試驗材料Table 2　Experimental Materials

1.2　試驗方案

該銑削試驗加工參數(shù)如表3所示，在保證平均切削厚度相同的條件下，利用氧化鋁陶瓷刀具在不同切削速度下銑削HDF，研究了切削速度，切削長度變化對陶瓷刀具切削力及磨損的影響。

切削速度Vc：一般指刀具切削刃上的某一點相對于待加工表面在主運動方向上的瞬時速度，即Vc= πDN/1 000 (因為主軸轉(zhuǎn)速n比進給速度U遠遠大很多，所以我們一般都以主軸轉(zhuǎn)速來計算切削速度)。

銑削深度即切削深度h：切削工件時已加工表面與待加工表面之間的垂直距離。

選擇上述參數(shù)，通過試驗參數(shù)的設(shè)計，在相同的平均切削厚度的條件下，在不同切削速度下，來研究陶瓷木工刀具的切削性能。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　陶瓷刀具切削力

圖2　試驗示意Fig.2　Schematic for the experiment

表3　銑削試驗加工參數(shù)?Table 3　Milling experimental parameters

在木材切削過程中，凡是與切削區(qū)木材變形、摩擦等有關(guān)的因素都影響切削力[12-13]。這些因素包括切削厚度、木材材性、刀具結(jié)構(gòu)、刀具磨損、相對于纖維的切削方向和切削速度等[14-15]。切削力的變化對刀具磨損，刀具壽命起著至關(guān)重要的影響。由基本切削理論可知：空間銑削力在以切削時的銑刀所在坐標系中進行分解時，3個切削力分別為：沿刀具切向分力Ft、沿刀具徑向分力Fr和沿刀具軸向分力Fz[16-17]。由于直接測量沿刀具的切向分力和徑向分力比較困難，本試驗通過測得的工件坐標系中三向切削力Fx、Fy和Fz，以及對應(yīng)的切削刃在切削區(qū)的幾何關(guān)系示意圖，如圖2（a），可得出刀具坐標系中的三向分力。從切削理論可知，側(cè)向切削分力Fz主要作用是對材料形成向上或者向下的推力[18-19]。由于本試驗采用的是直韌柄銑刀（非螺旋齒刀具），該銑刀不產(chǎn)生在 Z 軸方向的切削力。所出現(xiàn)的切削力圍繞在零點上下波動，這主要是由于刀具切削工件時，機床、工件和刀具之間產(chǎn)生的振動所致，故本試驗中沒有研究Fz的變化。公式（1）、（2）為刀具坐標系中兩向切削分力與工件坐標系中兩向切削分力的對應(yīng)關(guān)系。

式（1）、（2）中，θ為運動遇角，切削厚度h=1 mm，刀盤直徑D=100 mm，所以sinθ=0.1，cosθ=0.995，由式（1）、（2）可換算出Ft和Fr。本試驗在高低切削速度的條件下，通過銑削HDF，研究其切削長度及切削速度對切削力的影響。

2.1.1　切削長度對切削力的影響

本試驗研究了切削長度變化對切削力的影響，圖3是Al2O3陶瓷刀具銑削HDF的切削力Fr、Ft隨主軸轉(zhuǎn)速變化的趨勢圖，該圖數(shù)據(jù)顯示：在相同的切削參數(shù)條件下，隨著切削長度的增加，切削力Fr、Ft都呈增大趨勢。這是由于隨著切削長度的增大，刀具刃口變鈍，刀具磨損嚴重，切削刃撕裂切屑的作用力增大，后刀面與已加工表面的摩擦增大，導致切削力逐漸增大。

圖3　切削長度對切削力的影響Fig.3　Cutting forces in different cutting length

2.1.2　切削速度對切削力的影響

高速切削條件下的切削力Fr和Ft明顯低于低速切削條件下的切削力Fr和Ft，如圖4所示，這是因為隨著切削速度的增加，單位時間內(nèi)切削量增大，其產(chǎn)生的熱量增大，而陶瓷是熱的不良導體，刀具與工件之間的摩擦系數(shù)變小，切屑的變形系數(shù)變小，導致切削力變小。

2.2　陶瓷刀具磨損的影響因素

刀具能否正常切削，切削質(zhì)量的好壞，加工效率的高低，經(jīng)久耐用程度都與刀具磨損有著密切的關(guān)系[20]。在木材切削時，隨著切削過程的進行，刀具刃口逐漸由鋒利變鈍，因而研究刀具磨損，對提高刀具的使用壽命及加工效率有著重要的意義。該試驗在高、低切削速度的條件下，通過銑削HDF，研究其切削長度及切削速度對刀具磨損的影響。

圖4　不同速度的切削力對比Fig.4　Comparison of cutting force in different speeds

2.2.1　切削長度對刀具磨損的影響

在相同切削速度的條件下，隨著切削長度的增加，刀具后刀面磨損量也逐漸增加，如圖5所示。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，主要由于隨著切削長度的增大，切削熱逐漸增加，而逆銑屬于斷續(xù)切削加工，在切削過程中，遇到硬質(zhì)點的沖擊，就容易出現(xiàn)磨損，甚至破損的現(xiàn)象。

圖5　不同切削長度下的磨損情況Fig.5　Flank wear in different cutting length

2.2.2　切削速度對刀具磨損的影響

由圖5分析可見，在較高的切削速度下刀具磨損明顯比較低切削速度下的刀具磨損嚴重，這是由于在高速切削過程中，單位時間內(nèi)，切削量增大，切削溫度增加更快，切削刃與工件之間阻力變大，導致刀具磨損更加嚴重。

由于本論文使用切削速度較高，單位時間內(nèi)加工量大，且使用的高密度纖維板，里面有硬度較高的干燥的膠黏劑等雜質(zhì)，當切削刃沖擊到它們時，極可能會出現(xiàn)磨損。國內(nèi)外，少有人對陶瓷木工刀具進行大量研究，本試驗仍處于初期磨損階段，后續(xù)會在此基礎(chǔ)上繼續(xù)改進加以研究。

2.3　刀具損傷形式

隨著刀具磨損變鈍，切削質(zhì)量下降，切削力增大，嚴重時刀具會產(chǎn)生振動，出現(xiàn)異常噪聲，甚至嚴重影響木材加工。因此研究刀具的磨損機理，對提高刀具的使用壽命及加工效率有著極其重要的作用。本試驗通過SEM和EDS對刀具進行微觀研究及分析，得出刀具的磨損機理主要是裂紋，崩刃和后刀面磨損。

2.3.1　裂紋

高密度纖維板銑削加工的轉(zhuǎn)速較高，在這樣的切削條件下經(jīng)過長時間的斷續(xù)切削，刀具不斷受到交變應(yīng)力的沖擊，產(chǎn)生微裂紋這種疲勞損傷。造成微裂紋產(chǎn)生的原因包括：（1）纖維板材料在生產(chǎn)過程中容易混入一些硬質(zhì)雜質(zhì)，這些硬質(zhì)點的硬度很大，導致切削刃突然受到很大的沖擊力，切削刃受力不均導致微裂紋出現(xiàn)；（2）陶瓷銑刀銑削過程是斷續(xù)切削，導致刀具不斷受到交變應(yīng)力，交變應(yīng)力的作用使得刀具內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而造成微裂紋的出現(xiàn)；（3）高密度纖維板采用逆銑的方式，切削刃從切入到切出，每次走刀抬刀的過程，切削刃溫度存在周期性變化。每次走刀的過程中切削刃溫度快速升高，刀具熱脹；每次抬刀的過程，溫度快速下降，刀具冷縮，這樣走刀抬刀的周期性過程刀具內(nèi)部也產(chǎn)生了周期交變內(nèi)應(yīng)力，而陶瓷刀具熱膨脹系數(shù)較大，最終導致微裂紋的出現(xiàn)。銑削是一個周期性間斷切削，在長時間的切削過程中，刀具受到交變外應(yīng)力的沖擊，產(chǎn)生裂紋。再者，刀具每次走到切削工件，溫度急速上升，離開工件，刀具冷卻，在這樣的周期性的過程中，刀具內(nèi)部產(chǎn)生周期性的交變內(nèi)應(yīng)力，也導致了裂紋的產(chǎn)生，該試驗通過對不同加工長度的刀片進行電鏡分析，實驗結(jié)果表明其中部分刀片在加工到100 m左右時，其后刀面出現(xiàn)了裂紋，如圖6所示。

圖6　裂紋Fig.6　Cracks

2.3.2　崩刃

當工件材料組織、硬度、余量不均勻，前角偏大導致切削刃強度偏低，工藝系統(tǒng)剛性不足產(chǎn)生振動，或者進行斷續(xù)切削，刀刃質(zhì)量欠佳時，切削刃容易發(fā)生微崩，即刃區(qū)出現(xiàn)微小的崩落、缺口等。本試驗在切削初期，刀具的切削刃鋒利、切削應(yīng)力集中，導致出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。再者，當HDF中混有硬質(zhì)物時，隨著切削力的變化或是銑削過程中出現(xiàn)瞬時沖擊振動，也會使切削刃產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。如圖7所示，刀具的后刀面出現(xiàn)了崩刃。

圖7　崩刃Fig.7　Breakage

2.3.3　剝落

對于脆性很大的材料，由于表層組織中有缺陷或潛在裂紋，或由于焊接、刃磨而使表層存在著殘余應(yīng)力，在切削過程中不夠穩(wěn)定或刀具表面承受交變接觸應(yīng)力時極易產(chǎn)生表層剝落，涂層刀具剝落的可能性較大。該試驗在銑削過程中刀具遇到較大的硬質(zhì)點沖擊，使刀具出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。隨著刀具繼續(xù)磨損，切削力，切削溫度不斷上升，刀具的摩擦力及作用力明顯增大。隨著切削區(qū)域溫度升高，工件材料粘結(jié)到切削刃口，當粘結(jié)材料脫落時，粘結(jié)力很容易使刀具表層產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。如圖8所示，刀具的前刀面出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。

2.4　磨損機理

2.4.1　磨粒磨損

使用該刀具加工HDF到80 m左右時，刀具出現(xiàn)明顯磨損，通過電鏡試驗觀察如圖9所示，出現(xiàn)了“斷層狀”即明顯的片狀溝槽，這是由于HDF中的硬質(zhì)點對刀具后刀面產(chǎn)生長時間的交替摩擦，刻劃及碰撞所致。再者，由于脫落的晶粒是TiC，它的研磨能力堪比金剛石，也會刮擦刀具表面。

圖8　剝落Fig.8　Spalling

圖9　磨粒磨損Fig.9　Abrasive wear

2.4.2　粘結(jié)磨損

圖10　粘結(jié)磨損Fig.10　Adhesion

本試驗對該刀具磨損較為明顯位置做了EDS分析，分析結(jié)果如圖10所示，由圖可見，其中Ti，C，O，Al元素均屬于刀具材料所含元素，而K，Mg，Si則來自HDF的膠黏劑及填充劑中，而Ca則來自于HDF中硬質(zhì)點CaCO3中的元素。由此推斷在銑削HDF的過程中，刀具發(fā)生了粘結(jié)磨損。這是由于在高速、高溫的銑削條件下，工件材料粘結(jié)到刀刃表面，在摩擦力等的作用下，粘結(jié)物帶走刀具表面相關(guān)成分的物質(zhì)，導致刀具發(fā)生粘結(jié)磨損。

3　結(jié)論與討論

本試驗采用TiC增韌氧化鋁陶瓷木工刀具對高密度纖維進行逆銑加工，通過動態(tài)切削力測量及電鏡試驗，觀察陶瓷刀具的前、后刀面的微觀結(jié)構(gòu)，分析了刀具前、后刀面的形貌，揭示了陶瓷木工刀具的銑削磨損機理。研究結(jié)果表明：

1.切削力隨著切削長度的增大而增大。

2.高切削速度下的切削力Fr和Ft低于低切削速度下的切削力Fr和Ft。

3.后刀面磨損量隨著切削長度的增大而增大。

4.陶瓷刀具銑削HDF，刀具主要磨損形式為崩刃，裂紋，剝落。磨損形式主要是粘結(jié)磨損和磨粒磨損。

本試驗主要是研究相同切削厚度的條件下，不同切削參數(shù)對木工陶瓷刀具的切削力及磨損，主要集中在初期磨損及其損失形式，磨損機理的研究。后續(xù)將對陶瓷刀具銑削高密度纖維板時的刀具使用壽命及加工質(zhì)量展開詳細的研究。并繼續(xù)改進試驗方案，進一步研究木工陶瓷刀具切削性能，以期為陶瓷刀具應(yīng)用于木材加工業(yè)做出更加深入的研究。

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