基于直角自由切削的木塑復(fù)合材料切削質(zhì)量研究?

陳 凱 張 豐 伍占文 徐信武 郭曉磊

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

木塑復(fù)合材料是以木纖維和各種高分子化合物為主要原料，按一定比例混合，加入化學(xué)助劑，經(jīng)模壓或擠出等工藝方式制得的一種環(huán)保復(fù)合材料[1]。其兼具木材和塑料的雙重特性，具有使用壽命長，耐腐蝕、防火、防潮等優(yōu)點[2-3]。由于該復(fù)合材料能充分利用廢舊塑料和廢棄木材的剩余價值，因此具有巨大的市場潛力[4-5]。近年來，國內(nèi)外對于木塑復(fù)合材料的關(guān)注度越來越高，市場需求也越來越大。2021 年全球的木塑復(fù)合材料銷售額達(dá)到58 億美元[6]，被廣泛應(yīng)用于建筑裝修、3D打印、戶外園林、汽車及軍事等領(lǐng)域[7-10]。

實際生產(chǎn)過程中，需根據(jù)不同應(yīng)用場景的需求，對原材料的形狀、尺寸及表面粗糙度進(jìn)行二次加工。常見的加工方式有銑削、鋸切、鉆削、磨削等[11-13]。劉坡[14]探究了不同材料刀具銑削時，進(jìn)給速度、銑削厚度及主軸轉(zhuǎn)速對木材加工表面粗糙度的影響。并利用方差分析，得出銑削深度對表面粗糙度影響存在顯著性。因此，本研究選取切削厚度為變量之一，探究其對木塑復(fù)合材料在切削時的影響規(guī)律。加工方式選用直角自由切削方式，因其是最基本、最簡單的加工方法，可反映各種加工方法和切削運動的基本規(guī)律，適用于分析切屑形態(tài)與加工表面質(zhì)量的相關(guān)問題[15-17]。

表面粗糙度能真實反映木制品的加工表面質(zhì)量[18]。武麗清[19]以竹材為研究對象，探究了竹材物理性能與切削參數(shù)對屑片質(zhì)量的影響。研究表明：表面粗糙度與切削厚度存在良好的線性關(guān)系。而對于表面粗糙度這一關(guān)鍵因素未作多因素分析。在木材加工過程中，切削力和切削熱不但會使刀具磨損加劇還會影響加工表面質(zhì)量[20]。Pei等[21]的研究表明：切削厚度對切削溫度影響最大，主軸轉(zhuǎn)速和切削寬度次之。而車削時，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削厚度的不同均會對加工表面的質(zhì)量產(chǎn)生一定影響[22]。但該研究未揭示切削溫度這一關(guān)鍵參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響。Wei等[23]研究分析了不同切削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響，并結(jié)合切屑形態(tài)綜合分析認(rèn)為：獲得高質(zhì)量加工表面的關(guān)鍵是選取最佳的切削參數(shù)并減小切削溫度。

本研究以木塑復(fù)合材料為研究對象，采用直角自由切削的方式以不同的刀具前角和切削厚度在刨床上切削，分析切削力和切削熱的變化規(guī)律，測定切削加工表面質(zhì)量，綜合分析切削力和切削熱的變化對木塑復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的影響，以期為木塑復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)加工提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用木塑復(fù)合材料由南京聚新鋒新材料有限公司提供，木粉:聚乙烯為55∶45（質(zhì)量比），工件尺寸為400 mm×40 mm×10 mm（長×寬×高）。表1為木塑復(fù)合材料的物理機(jī)械性能。

表1 木塑復(fù)合材料的物理機(jī)械性能Tab.1 Physical and mechanical properties of the woodplastic composite

1.2 設(shè)備

牛頭刨床（B665），沈陽機(jī)床廠；測力儀（Kistler952 7B），瑞士奇石樂儀器股份公司；紅外熱像儀（Thermo Vision A20），美國菲力爾公司(FLIR Systems, Inc.)；高速攝像機(jī)（i-speed3），日本Olympus。

刀具采用長沙迪克硬質(zhì)合金有限公司生產(chǎn)的直刃刀，切削刃部分材料為YG8硬質(zhì)合金。采用3種不同前角的刀具，編號分別為A、B、C，其前角分別為10°、20°、30°。表2為刀具幾何形狀和物理參數(shù)。

表2 刀具的幾何形狀和物理參數(shù)Tab.2 Geometry and physical parameters of the cutting tool

1.3 試驗方法

圖1 為直角自由切削原理圖，切削刃垂直于進(jìn)給方向，切削運動時切屑與前刀面及切削平面以下木塑復(fù)合材料與后刀面相互作用。切削力F為前刀面對切削層木塑產(chǎn)生的正壓力Fn及切削層與前刀面之間產(chǎn)生的摩擦力Ff的合力。摩擦力Ff的大小取決于正壓力Fn及摩擦系數(shù)。Fn的取值與前角及切屑體積息息相關(guān)。Fax與Fay為后刀面對切削平面以下木塑產(chǎn)生的2 個作用力。前者為木塑與平行于進(jìn)給運動方向之間產(chǎn)生的摩擦力，后者為木塑受到垂直于進(jìn)給方向的正壓力。相關(guān)計算公式如下：

圖1 直角自由切削Fig.1 Orthogonal cutting

式中：F為切削力，N；Fn為正壓力，N；Ff為摩擦力，N；ρ為F與Fn之間的夾角，（°）；μ為摩擦系數(shù)。

本研究采用單因素試驗法設(shè)計，以刀具前角和切削厚度為變量，以3種不同因素水平設(shè)計12組試驗，切削方案見表3。為了減小誤差，每組進(jìn)行5次試驗，計算平均值，得到平均切削力及切削區(qū)最大切削溫度。

表3 試驗方案設(shè)計及試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Cutting experiment design and experimental data

圖2 為本試驗的設(shè)備布置圖。切削力和切削溫度均在牛頭刨床上對木塑復(fù)合材料進(jìn)行直角自由切削時采集獲得。測力儀和頻率為1 000 Hz的信號放大器固定在工作臺上。刀具通過夾具與測力計相連。木塑復(fù)合材料由夾具固定在牛頭刨床的進(jìn)給刀架上。在直角自由切削過程中，刀具固定不動，工件通過刀架實現(xiàn)往復(fù)直線運動。此外，用紅外熱像儀測量切削區(qū)溫度，其幀率和分辨率分別為50 fps和160 dpi×120 dpi。為了觀察切削形態(tài)，采用高速攝像機(jī)拍攝切削區(qū)，幀率和分辨率分別為5 000 fps和1 280 dpi×1 024 dpi。

圖2 切削試驗布置Fig.2 Layout of cutting experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 切削力分析

圖3為不同切削厚度與刀具前角下的切削力變化。從圖中可以看出，當(dāng)切削厚度一定時，切削力隨著前角的增大而減小。這是因為刀具前角越大，剪切角越大，楔角越小，刀具越容易切斷木材纖維。在后角一定的情況下，前角越小，楔角增大使得切削刃越不鋒利，切削時所需的切削力就越大。此外，10°前角時的切削力增幅大于20°和30°前角時。這是因為切削厚度增大的同時，切削刃所需去除的材料增多，且前角越小，刀口越鈍，所需的切削力就越大。

圖3 切削力F在不同切削厚度和刀具前角下的變化曲線Fig.3 The change of the cutting force F at different cutting depth and rake angles

當(dāng)切削厚度為0.1 mm時，3把不同前角的刀具所對應(yīng)的切削力僅從32 N增至46 N。而切削厚度為1.0 mm時，其切削力從112 N增至255 N。這表明，切削厚度較小時前角對切削力的影響程度低于大切削厚度時。圖4為10°前角下切削厚度為0.1 mm和1.0 mm時的切削力波形圖。可以看出，當(dāng)切削厚度為0.1 mm時，波形抖動大于1.0 mm，且前者切削力的誤差值也小于后者，這與切屑形態(tài)有很大的關(guān)系。圖5為以10°前角切削不同切削厚度所產(chǎn)生的切屑形態(tài)，分為連續(xù)型與非連續(xù)型兩種。當(dāng)切削厚度為0.1 mm時，產(chǎn)生長而連續(xù)的切屑，切屑在前刀面的作用下被剪切，而切削力卻未超過其剪切應(yīng)力，且裂紋較少。當(dāng)切削厚度增大時，會產(chǎn)生短而非連續(xù)的切屑，裂紋也相對較多。對比可知，在0.1 mm切削厚度下的切削力信號比1.0 mm切削厚度下更平穩(wěn)，即連續(xù)型切屑比非連續(xù)型切屑具有更小的力的變化。

圖4 切削力在不同切削厚度時的信號圖Fig.4 Cutting force signals at different cutting depth

圖5 10°前角切削0.1 mm與1.0 mm切削厚度時的切屑形態(tài)Fig.5 Chip morphology in 0.1 mm and 1.0 mm cutting depth with 10° rake angle

2.2 切削溫度分析

切削熱是刀具切削工件做功過程中產(chǎn)生的基本物理現(xiàn)象，由切削力和切削變形作用形成。切削熱是以刀尖為中心，向四周擴(kuò)散，呈輻射狀[24-25]。這是因為當(dāng)切屑沿前刀面流出時，切削熱還來不及傳導(dǎo)至切屑，大部分切削熱被傳遞到刀具上。切削運動過程中，前刀面與切屑、后刀面與已加工表面接觸，故切削熱集中在這兩個區(qū)域。雖然切削過程中，刀尖的溫度最高，但伴隨切削運動的完成，切屑與工件分離時也會帶走大部分切削熱。

不同切削厚度和前角切削運動所產(chǎn)生的切削熱變化如圖6 所示。從圖中可以看出，切削溫度與前角呈反比關(guān)系。這是因為前角越小，前刀面與切屑之間的接觸更為緊密，前刀面對切屑的擠壓和摩擦增大，切削層彈塑性變形增大，切屑向周圍介質(zhì)傳播熱量的能力降低，散熱條件變差，切屑帶走的切削熱變少，使切削溫度上升。當(dāng)前角較大時，切屑與前刀面產(chǎn)生較大的間隙，雖然產(chǎn)生一定的切削熱，但大部分熱量傳到切屑上，且散熱條件變好，切削熱更容易傳播到空氣中，切削溫度反而較低。

圖6 不同切削厚度與刀具前角下的切削區(qū)溫度變化Fig.6 The cutting zone temperature at different tool rake angles and different cutting depth

從圖中還可以看出，切削溫度隨著切削厚度的增大而增加。這是因為切削厚度增大時，機(jī)床伸長，工件所受的擠壓力增大，產(chǎn)生極高的塑性變形，相對小切削厚度時的變形更為激烈，使得切削力增大。同時，使用10°前角的刀具加工1.0 mm切削厚度時的切削溫度可達(dá)60.6 ℃，且其切削力也達(dá)到最大。而使用30°前角切削0.1 mm切削厚度時，其切削溫度僅為39.7 ℃，切削力也最小。這是因為切削力越大時，機(jī)床所需的機(jī)械能就越多，越容易轉(zhuǎn)化為切屑熱，進(jìn)而使切削溫度升高。

3 切削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響

圖7 所示為不同切削厚度和前角下的表面粗糙度變化。可以看出，無論是前角大小，表面粗糙度值均隨切削厚度的增大而增大。這是因為隨著切削厚度的不斷增大，切削刃在單位時間內(nèi)需要去除的材料增加，前刀面切削刃處磨損增大，銳利程度有所降低，切削力也隨之增大，使得粗糙度值增大，表面質(zhì)量降低。圖8 為切削厚度0.1 mm和1.0 mm時材料表面的形貌圖。從圖中可知，在1.0 mm切削厚度下，產(chǎn)生了較多的凹坑，而0.1 mm時凹坑數(shù)量較少。這是因為在小切削厚度下，切削刃在單位時間內(nèi)需要去除的材料體積減小，前刀面切削刃處磨損減小，銳利程度高，切削力也隨之減小，使得粗糙度值減小，表面質(zhì)量較好。這也表明，切削厚度對加工表面質(zhì)量有重要影響。

圖7 不同切削厚度與刀具前角下的表面粗糙度變化Fig.7 The surface roughness at different tool rake angles and different cutting depth

圖8 10°前角切削0.1 mm與1.0 mm切削厚度時的3D形貌圖Fig.8 3D topography with different cutting depth at 10° rake angle

從圖中還可以看出，在相同切削厚度下，30°前角切削出的加工表面質(zhì)量明顯優(yōu)于10°與20°前角。較小前角的刀具在切削時，切屑受到的擠壓力會更大，這就導(dǎo)致切屑不能被直接切斷，并且留下更多的毛刺。當(dāng)?shù)毒咔邢鞴ぜr，切削區(qū)會產(chǎn)生一定變形，主要為塑性變形。工件的韌性一定時，隨著切削力的不斷增大，會超越木塑復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，刀具切入工件時，切屑形態(tài)也會逐漸變化。當(dāng)切削厚度不斷增大時，部分裂紋可能會在加工表面以下產(chǎn)生，使切削平面以下的基體纖維撕裂，導(dǎo)致表面粗糙度值增大。

4 結(jié)論

本研究考察了切削參數(shù)對切削力、切削溫度以及對木塑復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的影響，以前角和切削厚度為變量，對比了在不同切削力和切削溫度下材料表面的粗糙度，主要得出以下結(jié)論：

1）切削參數(shù)影響切削力大小、平穩(wěn)性以及切屑形態(tài)。切削力隨著切削厚度的增大而增大；當(dāng)前角變大時，切削力隨之減??；當(dāng)切削厚度較小時，信號較為平穩(wěn)，誤差棒較小，切屑形態(tài)連續(xù)，加工質(zhì)量較高；當(dāng)切削厚度較大時則反之。

2）在相同切削厚度下，切削溫度隨前角的增大而降低；前角一定時，切削溫度隨切削厚度的增大而升高，此時切削力與切削參數(shù)的相關(guān)性與切削溫度一致。因此，當(dāng)大前角刀具的切削厚度較小時，切削力也較小，且切削溫度較低，加工表面質(zhì)量也較高。

3）小前角的刀具進(jìn)行較大厚度切削時，其加工表面會產(chǎn)生更多凹坑。本研究中10°前角切削1.0 mm切削厚度時的表面粗糙度值最大。

綜合考慮，在本文試驗條件下最佳表面加工質(zhì)量所對應(yīng)的刀具前角和切削厚度分別為30°和0.1 mm。但切削厚度過小會增大刀具切削次數(shù)，加劇磨損，降低刀具壽命。因此，在粗加工時采取較大切削厚度時，也應(yīng)適當(dāng)選擇較大前角的刀具。這樣不僅能夠提升切削效率，還能保證較高的加工質(zhì)量；而精加工時可以選取更大的刀具前角來提升加工表面質(zhì)量。