高效刀具在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削中的運(yùn)用

王兆慧 常 成 吳偉萍

（哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

玻璃纖維復(fù)合材料的基體為樹脂，其不僅具有良好的剛度與強(qiáng)度，還具有一定的抗疲勞特性，具有較為獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性，該材料在航空航天、國防以及民用領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。然而由于該材料難以實(shí)現(xiàn)切割，因此有必要對(duì)高效刀具在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削中的應(yīng)用展開探討。

1 樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削特性

樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料由兩部分組成，一是硬度較高的玻璃纖維，二是較為柔軟的樹脂基體，該材料由纏繞方法制成。樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度較高且鋼度值超過了45 鋼，同時(shí)其密底相對(duì)較低。在切削過程當(dāng)中，由于樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料硬度較大，會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生極為嚴(yán)重的磨損。與其他金屬材料的切削相同，切削熱量與摩擦力是影響刀具壽命的主要因素，同時(shí)刃口的切削壓力也會(huì)對(duì)刀具的使用壽命產(chǎn)生影響。由于樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料中含有的質(zhì)點(diǎn)玻璃纖維硬度較高，會(huì)加速刀具的磨損，進(jìn)而影響切削效果。

2 刀具選擇要點(diǎn)分析

2.1 刀具材料

與工具鋼相同，硬質(zhì)合金材料與高速鋼的硬度較高，并且耐磨性能良好，在實(shí)際應(yīng)用中可以對(duì)振動(dòng)與沖擊進(jìn)行良好的緩沖，基于此，其在刀具制作中應(yīng)用較為廣泛，其中，除了高速鋼以外，硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用最多。近年來，涂層刀具不斷誕生與發(fā)展，應(yīng)用空間極為廣闊，此刀具是以高速鋼或硬質(zhì)合金材料作為基體，并在其外面涂上一層較薄的具有抗磨損與耐高溫特性的化合物。在材料切削過程中，涂層作為刀具與材料接觸的中間介質(zhì)，可以降低對(duì)刀具的磨損，進(jìn)而延長刀具的使用壽命。玻璃纖維復(fù)合材料具有硬度高的特點(diǎn)，然而其不具備良好的散熱性能，高熱量會(huì)加劇刀具的磨損情況，基于此，在切割樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料時(shí)，可采用抗高溫、硬度較高且耐磨性良好的材料作為刀具材料。

2.2 刀具幾何參數(shù)

刀具的幾何參數(shù)包含前角與后角，此外還要對(duì)主偏角以及副偏角進(jìn)行考量。

2.2.1 前角參數(shù)

刀具的幾何參數(shù)會(huì)對(duì)刀具的切削性能產(chǎn)生影響，是決定切削效果的重要因素。作為刀具最為關(guān)鍵的角度，前角越大，切削刀刃將會(huì)更加鋒利，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)較為明顯的切削變形現(xiàn)象。同時(shí)，其切削力相對(duì)較小，切削溫度也并不高，不會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，表面加工的粗糙度也相對(duì)較小。然而前角過大會(huì)明顯降低切削刀刃的強(qiáng)度，由于切屑具有抗斷性的特點(diǎn)，切削過程中無法及時(shí)消除熱量，因此切削溫度會(huì)不斷升高，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)刀具的磨損，刀具的使用壽命會(huì)大大縮短。在前角參數(shù)設(shè)定時(shí)，必須將工件材料的特性納入考量，在進(jìn)行塑性金屬材料進(jìn)行加工時(shí)可增大前角，對(duì)脆性材料加工時(shí)則可適當(dāng)降低前角。也就是說，材料的硬度及強(qiáng)度值與前角參數(shù)成反比，因此在對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料加工時(shí)，應(yīng)選擇前角較小的刀具進(jìn)行切削。

2.2.2 后角參數(shù)

切削效果的另一影響因素是刀具的后角。在后角較大時(shí)，刀具的后刀面不會(huì)與工件之間產(chǎn)生較大的摩擦，切削熱量也不高。后角越大，切削刀刃越鋒利，刀削表現(xiàn)的粗糙度也相對(duì)較低。然而后角過大會(huì)對(duì)切削刀刃的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致崩刃?；诖耍毒叩牡度袕?qiáng)度是由后角決定的，在刀刃強(qiáng)度適合時(shí)，前角較大切割效果越好。在對(duì)樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行切削時(shí)應(yīng)選擇后角較大的刀具。

2.2.3 主偏角與副偏角

主偏角與副偏角越小，切削刀刃的強(qiáng)度值越高，并且具備更好的散熱能力，可獲得相對(duì)較小的表面粗糙度，然而主副偏角過小會(huì)導(dǎo)致背向力的提升，工件或刀桿會(huì)出現(xiàn)變形問題，也會(huì)出現(xiàn)工藝系統(tǒng)振動(dòng)的情況。在進(jìn)行強(qiáng)度與硬度較高的材料加工時(shí)，選擇主偏角較小的刀具，可以延長刀具的使用壽命。因此，在進(jìn)行硬度較高的玻璃纖維復(fù)合材料切割時(shí)，所選用的刀具的主偏角與副偏角應(yīng)相對(duì)較小。

3 樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削刀具的選用情況分析

選取長與外徑分別為1300 與φ130mm 的玻璃纖維纏繞管零件進(jìn)行切削試驗(yàn)，對(duì)其外圓進(jìn)行切削。

3.1 硬質(zhì)合金刀具的試用

首先對(duì)該零件的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，為了增強(qiáng)刀具的抗高溫與抗磨損性能，選擇800刀尖角、后角與前角均為0o的等邊不等角六邊形刀具進(jìn)行切割，該刀具具有單面C 形斷屑槽，由YT758 材質(zhì)制成。此種刀具具有良好的抗高溫特性，也具備極佳的抗氧化性能，具有較高的硬度與抗磨性，對(duì)高硬度材料的零件加工較為適用。選用此刀片進(jìn)行試驗(yàn)零件的外圓切削時(shí)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的刀具磨損現(xiàn)象，零件外表面粗糙現(xiàn)象較為明顯。切削時(shí)必須不斷進(jìn)行磨刃，每磨一次只能切削一次，如進(jìn)行多次切削會(huì)導(dǎo)致零件外表現(xiàn)會(huì)留有明顯的撕裂印跡，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量進(jìn)而導(dǎo)致工件的損毀。運(yùn)用此種刀具進(jìn)行切削，切削效率相對(duì)較低，切削工人的工作量較高，要求操作者具備較高的技能，切削質(zhì)量不可控，無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

3.2 涂層刀具的試用

結(jié)合硬質(zhì)合金刀具的試用情況，再次選用涂層刀具進(jìn)行試驗(yàn)。該刀具由山特維克公司生產(chǎn)，為600刀尖角的等邊三角形刀具，后角為0o，由GC4015 材料制成，此刀具由硬質(zhì)合金為基體，表面覆蓋了一層金黃色的TiN 涂層，在切削時(shí)，刀片的摩擦系數(shù)得以有效降低，明顯提升了刀具的耐磨性能。運(yùn)用此刀具在相同切削參數(shù)條件下進(jìn)行切削，完成后刀片的涂層出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損情況，零件的外表面也留有明顯的撕裂印跡，因此，此刀具在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削中實(shí)用性并不佳。

3.3 高效刀具的選用

3.3.1 選用高硬度刀具

通過上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削時(shí)采用高速鋼以及硬質(zhì)合金刀具都會(huì)產(chǎn)生刀具磨損的現(xiàn)象，難以提升加工效率，因此，應(yīng)選用硬度更高的刀具進(jìn)行樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切割。在人造金剛石微粉中加入適量的溶劑以及催化劑，通過高溫與高壓環(huán)境而聚合成的多晶體材料即是聚晶金剛石，由此種材料以硬質(zhì)合金基體并安裝了鑲金刀片而制成的刀具，抗沖擊性良好，且具有較高的抗彎強(qiáng)度，抗振性能也較為理想。此材料比硬質(zhì)合金的硬度與抗磨性更佳，使用壽命提升了百倍之多，同時(shí)，刀具的刃口極為鋒利，不會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦系數(shù)，可應(yīng)用于有色金屬材料的切削，也可加工非金屬材料。結(jié)合上述分析，可選用山特維克公司生產(chǎn)的600刀尖角、后角為70o的等邊三角形刀具，刀片由CDI0 的聚晶金剛石材料制成。

3.3.2 選定切削工藝參數(shù)

作為新型高效刀具，聚晶金剛石刀片在進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)可參考數(shù)據(jù)并不多，因此，必須通過加工試驗(yàn)，以硬質(zhì)合金切削參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并結(jié)合堆件與切割材料的特點(diǎn)而進(jìn)行最終工藝參數(shù)的確定。確定參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是可一次性去除切削余量。通過進(jìn)行大量的切削試驗(yàn)后可發(fā)現(xiàn)，此刀具具有良好的穩(wěn)定性，一個(gè)刀片可進(jìn)行150 個(gè)零件的加工，切削過程中無需磨刀，刀尖磨損并不嚴(yán)重，同時(shí)零件的表現(xiàn)粗糙度相對(duì)較低，呈現(xiàn)出良好的光潔度，無需再次使用砂布進(jìn)行拋光，有效降低了操作工人的工作強(qiáng)度，加工時(shí)間也得以明顯降低，實(shí)現(xiàn)了加工成本的有效控制。運(yùn)用此刀具進(jìn)行試驗(yàn)零件的加工，每班加工量可多達(dá)20 件，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)零件加工質(zhì)量也得以顯著提升，實(shí)現(xiàn)了切削工藝的穩(wěn)定。

結(jié)束語

在切削樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料時(shí)，選擇高效的聚合金剛石刀片進(jìn)行切割，并合理進(jìn)行切削參數(shù)的設(shè)定，可以有效提高該材料切削的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)加工效率的顯著提升，減少加工時(shí)的材料與時(shí)間成本，可加工出質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的零件，這對(duì)加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有明顯的提升效果。