木結(jié)構(gòu)構(gòu)件鉆削功率的影響因素

吳雨生，張偉，楊增帥，王勇

(國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京100029)

近年來，木結(jié)構(gòu)建筑在我國得到大量應(yīng)用[1]。鉆削是木結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造中最常見的加工方法之一。國內(nèi)外有關(guān)鉆削的研究包括：難加工材料的鉆削機(jī)理、深孔加工工藝、鉆削加工缺陷產(chǎn)生機(jī)理、刀具幾何參數(shù)及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工過程監(jiān)測(cè)與故障診斷、基于有限元的加工過程模擬分析的方法、刀具磨損機(jī)理的探究以及機(jī)床研制等[2-5]。

在生產(chǎn)中進(jìn)行加工規(guī)劃時(shí)，機(jī)床功率常作為目標(biāo)函數(shù)之一。在一定加工環(huán)境下，不同材料的最優(yōu)加工參數(shù)一般是不同的，而加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量以及機(jī)床功率的影響程度也不同。蔡力平[6]研究了在刨切時(shí)不同木材硬度及密度與切削功率的關(guān)系，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。理論上，鉆削過程中機(jī)床實(shí)際功率和切削力成正比，通過切削力的變化可推測(cè)功率的變化[7-8]。曾麗霞等[8]研究了影響切削力的因素，通過正交試驗(yàn)結(jié)果可分析出不同刀具結(jié)構(gòu)對(duì)切削力的影響不同。王賢鋒等[9]應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)航空用層疊材料鉆削過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。Shan等[10]探究了刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、刀具半徑等影響因素對(duì)切削的影響，并得到了最優(yōu)參數(shù)組合。李偉光等[11]分析鋸料角、切削厚度、刀具前角和含水率對(duì)切削力的綜合影響，建立了木材切削力模型。筆者以鉆削時(shí)的機(jī)床功率為研究對(duì)象，通過正交試驗(yàn)分析主要加工參數(shù)(進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等)、刀具結(jié)構(gòu)、材料種類對(duì)機(jī)床功率的影響程度，并分析功率與加工質(zhì)量間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

云杉、楊木定向刨花板(oriented strand board，OSB)和重組竹，含水率9%～11%，尺寸為330 mm×38 mm×17 mm左右。云杉試樣選用結(jié)構(gòu)均勻、紋理角度一致，無節(jié)子的材料；OSB選用3層結(jié)構(gòu)楊木定向刨花板；重組竹選用結(jié)構(gòu)均勻、無缺陷的材料。對(duì)每一試樣的尺寸和質(zhì)量進(jìn)行3次測(cè)量，取平均值。試驗(yàn)材料如圖1所示。

主要設(shè)備有：HSP-150BE型恒溫恒濕箱、木工麻花鉆頭(常見的鉆頭形式有Ⅰ型麻花鉆(Z)，鉆頭切削部分為錐形；Ⅱ型麻花鉆(G)，鉆頭帶定位尖與割刃，見圖2)、ProxxonD-54343鉆床、Fluke norma 4000型高精度功率分析儀、計(jì)算機(jī)等。

圖1 試驗(yàn)材料Fig. 1 Test materials

注：h為鉆頭切削部分長度；L0為鉆頭工作部分長度；L為鉆頭長度。圖2 麻花鉆示意圖Fig. 2 Schematic diagram of twist drill

1.2 試驗(yàn)原理

1.2.1 試驗(yàn)因素水平選擇

鉆削加工的切削形式較復(fù)雜，橫向鉆削時(shí)，刀刃與木材紋理夾角不斷發(fā)生變化。為減小木材紋理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用紋理相近的試件。將密度作為試驗(yàn)材料的選擇參考，所選用的試驗(yàn)材料分別為：云杉(0.335～0.534 g/mm3)、楊木OSB(0.607～0.665 g/mm3)、重組竹(0.894～0.968 g/mm3)。主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 080，2 400，4 500 r/min。結(jié)合實(shí)際加工生產(chǎn)，根據(jù)某企業(yè)產(chǎn)品的加工需要，刀具直徑選用4.8，11.1，12.7 mm。經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉆削重組竹時(shí)，進(jìn)給速度過大會(huì)導(dǎo)致機(jī)床負(fù)載過大甚至卡死主軸的現(xiàn)象，本試驗(yàn)控制進(jìn)給速度為1.0，1.5，2.0 mm/s。因此，影響因素共5個(gè)，除刀具結(jié)構(gòu)取2個(gè)水平，其余因素取3個(gè)水平等級(jí)，選擇L18(2×37)的正交表，試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of experiment

1.2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)見圖3，將完成溫濕度調(diào)節(jié)的試樣裝夾在鉆床工作臺(tái)上，選擇不同的參數(shù)組合進(jìn)行鉆削加工。試樣鉆孔位置如圖4所示。機(jī)床鉆削工件引起鉆床功率發(fā)生變化，通過功率分析儀測(cè)出功率的數(shù)據(jù)變化，由軟件Fluke norma view記錄并保存到計(jì)算機(jī)。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the test system

圖4 試樣鉆孔位置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of sample drilling location

2 基于功率分析的鉆削過程分析

2.1 鉆削過程的功率-時(shí)間曲線分析

以直徑為11.1 mm、轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的Ⅰ型麻花鉆鉆削重組竹為例(圖5a)進(jìn)行說明，其功率-時(shí)間曲線如圖5a所示。曲線可分為4段：1)機(jī)床空載(從起點(diǎn)至A點(diǎn))；2)鉆頭鉆入(從A點(diǎn)至B點(diǎn))；3)穩(wěn)定鉆削(從B點(diǎn)至C點(diǎn))；4)鉆穿試件(從C點(diǎn)至D點(diǎn))。鉆頭于A點(diǎn)接觸工件，功率發(fā)生變化；隨著鉆頭的逐漸鉆入，刀刃參與切削的部分逐漸增加，功率快速增加，直到刀刃部分完全鉆入后(B點(diǎn))，進(jìn)入穩(wěn)定切削階段。穩(wěn)定切削階段主要是鉆頭的切削功率與邊緣刃和孔壁摩擦產(chǎn)生功耗，并且隨著摩擦面積的不斷增加，總功率逐漸上升，到完全鉆透工件時(shí)(C點(diǎn))，總功率達(dá)到峰值。鉆頭切削刃鉆透工件后，切削刃與工件接觸面積逐漸減小，功率降低。邊緣刃與孔壁摩擦功率為極小值功率(D點(diǎn))與機(jī)床空載功率之差。

采用直徑為11.1 mm、轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的Ⅱ型麻花鉆鉆削重組竹，并與Ⅰ型麻花鉆對(duì)比，如圖5b所示。2種鉆頭鉆削過程中的功率變化趨勢(shì)相似，但從局部來看，由于Ⅱ型麻花鉆的切削部分長度h(圖2)較Ⅰ型麻花鉆短，且結(jié)構(gòu)為定位尖和割刃。因此，Ⅱ型麻花鉆的鉆頭鉆入過程較快，功率變化較大。但切削部分完全鉆入后，功率變化較為平緩。2個(gè)曲線分別與坐標(biāo)軸所圍的面積近似，說明鉆削相同體積的孔時(shí)機(jī)床做功也相似。

圖5 功率-時(shí)間曲線Fig. 5 Power-time curves

2.2 鉆削因素對(duì)單位體積切削功的影響

由于加工過程中機(jī)床的功率不斷發(fā)生變化，而加工任務(wù)是固定的切削體積。因此，建立功率與切削體積間的關(guān)系能更直觀地描述功耗。定義單位體積切削功(p)為切削功耗(W)與切削體積(V)的比值，結(jié)合文獻(xiàn)[7]，設(shè)切削單位體積(V0)材料需切削時(shí)間為t，切削功率為P，該過程的功耗為W0，則單位體積切削功計(jì)算公式為：

p=W/V

(1)

W0=Pt

(2)

切削單位體積材料所需時(shí)間為：

t=4TV0/(πD2H)

(3)

推導(dǎo)出單位體積切削功為：

(4)

式中：D為刀具(孔)直徑，mm；H為孔深，mm；T為鉆削深度至H時(shí)所需時(shí)間，s。

切削功率P隨時(shí)間實(shí)時(shí)變化，可用功率曲線的A點(diǎn)至C點(diǎn)部分，與A點(diǎn)所在的斜率為零的直線所包圍面積S(圖5a中陰影部分)與切削時(shí)間的比值代替，則式(4)可變?yōu)?

(5)

單位體積切削功與影響因素的關(guān)系見圖6。圖6a為1 mm/s進(jìn)給速度時(shí)單位體積切削功與刀具直徑的關(guān)系，在同一主軸轉(zhuǎn)速且使用同一類型刀具時(shí)，p隨D的增加而降低，且主軸轉(zhuǎn)速越高，趨勢(shì)越明顯；Ⅱ型麻花鉆比Ⅰ型麻花鉆更明顯。圖6b為1 mm/s進(jìn)給速度時(shí)單位體積切削功與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系，在同一刀具直徑且使用同一類型刀具時(shí)，p隨n的增加而增加，且主軸轉(zhuǎn)速越高，趨勢(shì)越明顯；Ⅱ型麻花鉆比Ⅰ型麻花鉆更明顯。圖6c為1 mm/s進(jìn)給速度時(shí)單位體積切削功與材料密度的關(guān)系，在同一主軸轉(zhuǎn)速且使用同一類型刀具時(shí)，對(duì)于Ⅱ型麻花鉆，p隨ρ的增加而增加，且這種趨勢(shì)隨主軸轉(zhuǎn)速變化而變化；對(duì)于Ⅰ型麻花鉆，密度較低的云杉與密度略高的OSB單位體積切削功相近。

注：D1(4.8 mm)、D2(11.1 mm)、D3(12.7 mm)為不同刀具直徑；n1(1 080 r/min)、n2(2 400 r/min)、n3(4 500 r/min)為不同主軸轉(zhuǎn)速；ρS(0.335 g/mm3)、ρO(0.607 g/mm3)和ρB(0.894 g/mm3)為不同材料密度(S為云杉、O為OSB、B為重組竹)；B1Z和B1G分別表示鉆頭種類為Z和G的第1組重組竹試件;ZD2和GD2分別表示鉆頭種類為Z和G、鉆頭直徑為11.1 mm。圖6 單位體積切削功與影響因素的關(guān)系Fig. 6 Relationship between power of cutting unit-volume mater and influencing factors

2.3 鉆削功率最大值的正交試驗(yàn)及分析

正交試驗(yàn)主要用于分析因素與指標(biāo)的關(guān)系，分析影響因素的主次關(guān)系或選擇最佳方案[12-14]。由于功率最大值(Pmax)與單位體積切削功是正相關(guān)關(guān)系，功率最大值較易獲得，因此可選擇其作為對(duì)照評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過試驗(yàn)得到選定的刀具結(jié)構(gòu)、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、材料和刀具直徑對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果及方差分析分別見表2、3，為了方案選擇方便，以及保證各因素水平間的正交性，多余列保留，具體為表2的第“4”“6”“7”列。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test results

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

注：F0.1(1，8)=3.46，F(xiàn)0.05(1，8)=5.32，F(xiàn)0.01(1，8)=11.3，F(xiàn)0.1(2,8)=3.11，F(xiàn)0.05(2,8)=4.46，F(xiàn)0.01(2,8)=8.65。F表達(dá)式為Fα(f因,f誤差)。若F>F0.1(f因,f誤差)，則在“顯著性”列上標(biāo)注“*”；若F>F0.05(f因,f誤差)，則在“顯著性”列上標(biāo)注“**”；若F>F0.01(f因,f誤差)，則在“顯著性”列上標(biāo)注“***”。

從計(jì)算結(jié)果可知，以功率最大值評(píng)定各影響因素的重要程度依次為主軸轉(zhuǎn)速>刀具直徑>材料種類>刀具結(jié)構(gòu)>進(jìn)給速度，貢獻(xiàn)率分別為37.92%，30.01%，20.03%，1.70%，0.13%；以單位體積切削功評(píng)定各影響因素的重要程度依次為材料種類>主軸轉(zhuǎn)速>刀具直徑>進(jìn)給速度>刀具結(jié)構(gòu)，貢獻(xiàn)率分別為54.16%，13.75%，12.15%，5.09%，4.57%。因此，在木構(gòu)件材料及孔特征確定的情況下，應(yīng)首先考慮主軸轉(zhuǎn)速，結(jié)合圖6b可知，在條件允許的情況下，優(yōu)先選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速。

2.4 鉆削質(zhì)量與功率的關(guān)系分析

根據(jù)實(shí)際切削效果可看出，單位體積切削功(或功率最大值)與加工質(zhì)量存在密切關(guān)系，由于材料不同，得到的加工缺陷也不相同，如圖7所示。重組竹出現(xiàn)的加工缺陷主要為灼燒；OSB出現(xiàn)的加工缺陷有毛刺、分層、灼燒；云杉出現(xiàn)的加工缺陷有毛刺、撕裂、灼燒。其中，毛刺缺陷主要?dú)w因于Ⅰ型麻花鉆加工，撕裂和分層主要?dú)w因于Ⅱ型麻花鉆加工。灼燒缺陷主要發(fā)生在重組竹中，且單位體積切削功越大，灼燒越嚴(yán)重。

圖7 試件不同程度灼燒形式Fig. 7 Different burning patterns of specimens

通過對(duì)試樣的灼燒進(jìn)行照片采集分析，得出3種材料的灼燒情況如下：重組竹通常的灼燒形式為纖維絲斷面先開始出現(xiàn)灼燒，逐漸加深至整個(gè)切削面；OSB通常的灼燒形式為出現(xiàn)分層灼燒現(xiàn)象，較硬的部分先出現(xiàn)灼燒；云杉通常的灼燒形式為出現(xiàn)順紋理分層的灼燒現(xiàn)象，較硬的部分先出現(xiàn)灼燒。

灼燒現(xiàn)象的原因分析：切削硬度較大的材料往往需要較大的后角，使用相同刀具鉆削不同材料時(shí)，由于刀具的各個(gè)角度一定，會(huì)有更多的功消耗在加工表面；此外，主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度匹配對(duì)于不同材料的鉆削并非最優(yōu)，導(dǎo)致對(duì)于密度較大的材料吃刀量較大，增加了負(fù)載，外在表現(xiàn)為產(chǎn)生更多的切削熱量以及切削功率的上升。雖然3種材料出現(xiàn)灼燒的部分先后不一，形狀各異，但總是硬度較大的部分先發(fā)生灼燒，且灼燒更嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

單位體積切削功與各影響因素之間關(guān)系趨勢(shì)明顯，可用于切削參數(shù)的選擇與加工質(zhì)量的預(yù)測(cè)。其中，只考慮單因素時(shí)，單位體積切削功隨刀具直徑的增大而減小，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨材料密度的增加而增加。單位體積切削功的計(jì)算過程使用了鉆削過程的全部功率數(shù)據(jù)，但不能描述鉆削過程中出現(xiàn)的功率波動(dòng)?；谡辉囼?yàn)原理，分別以切削時(shí)的功率最大值與單位體積切削功為評(píng)價(jià)指標(biāo)去評(píng)定各個(gè)影響因素的重要程度。以功率最大值評(píng)定各影響因素的重要程度依次為主軸轉(zhuǎn)速>刀具直徑>材料種類>刀具結(jié)構(gòu)>進(jìn)給速度；以單位體積切削功評(píng)定各影響因素的重要程度依次為材料種類>主軸轉(zhuǎn)速>刀具直徑>進(jìn)給速度>刀具結(jié)構(gòu)。雖然刀具種類對(duì)功率的重要程度較小，但直觀地看，Ⅱ型麻花鉆比Ⅰ型麻花鉆的加工質(zhì)量更優(yōu)，Ⅰ型麻花鉆比Ⅱ型麻花鉆更節(jié)省功耗。此外，木質(zhì)材料本身材質(zhì)不均勻，密度較大的部分最先出現(xiàn)灼燒現(xiàn)象。