刀具前角和切削深度對(duì)木粉-聚乙烯復(fù)合材料正交切削表面質(zhì)量的影響1)

張豐 伍占文 郭曉磊 慶振華 常偉杰

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (合肥工業(yè)大學(xué))

木粉-聚乙烯復(fù)合材料可以回收利用[1-2]，對(duì)環(huán)境無(wú)害，所以木粉-聚乙烯復(fù)合材料被認(rèn)為是一種環(huán)境友好型材料。與傳統(tǒng)的實(shí)木相比，木粉-聚乙烯復(fù)合材料不需要添加防腐劑和防水劑等添加劑，具有較高的穩(wěn)定性[3-5]。作為一種新型的復(fù)合材料，木粉-聚乙烯復(fù)合材料具有極高的耐腐蝕性，因此被廣泛應(yīng)用于露臺(tái)、建筑、家具、汽車等鄰域[6-8]。木粉-聚乙烯復(fù)合材料的二次加工是提高加工質(zhì)量的重要途徑。目前，常用的二次加工方法有鋸切、銑削、鉆孔、磨削[9-11]，但經(jīng)常出現(xiàn)切削質(zhì)量差等問(wèn)題。已有研究表明，切削力和切削溫度對(duì)加工表面粗糙度有重要的影響[12-13]。

正交切削是切削工藝的一種基本方法，適用于分析切削力、切削溫度以及表面質(zhì)量等問(wèn)題[14]。閆奎呈等[15]采用正交切削法，研究了(Ti,Al)N+TiN涂層硬質(zhì)合金刀具車削GH2132鐵基高溫合金時(shí)，車削參數(shù)對(duì)車削過(guò)程中切削力、切削溫度、表面粗糙度的影響；Veiga et al.[16]采用正交切削法，研究了切削溫度的分布規(guī)律；Guo et al.[17]采用正交切削法，研究了木塑復(fù)合材料切削過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)切削力、切屑形態(tài)的影響；本研究在借鑒已有研究基礎(chǔ)上，以木粉-聚乙烯復(fù)合材料為試材，設(shè)計(jì)不同刀具前角、不同切削深度，選用硬質(zhì)合金刀具和刨床(B665)對(duì)木粉-聚乙烯復(fù)合材料進(jìn)行正交切削試驗(yàn)；測(cè)定切削力、切削溫度、加工表面3D輪廓、加工表面粗糙度，分析刀具前角和切削深度對(duì)木塑復(fù)合材料正交切削表面質(zhì)量的影響。旨在為提高木粉-聚乙烯復(fù)合材料的切削加工質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)采用的木粉-聚乙烯復(fù)合材料，由中國(guó)安徽國(guó)豐木塑復(fù)合材料有限公司提供。木粉-聚乙烯復(fù)合材料中，松樹(shù)木粉質(zhì)量比例為48%、聚乙烯質(zhì)量比例為34%；木粉-聚乙烯復(fù)合材料的密度為1.24 g/cm3、彈性模量2 060 MPa、彎曲強(qiáng)度20.32 MPa；工件長(zhǎng)度250 mm、寬度100 mm、厚度8 mm。

試驗(yàn)采用的硬質(zhì)合金刀具，由中國(guó)長(zhǎng)沙迪克硬質(zhì)合金有限公司提供。這種硬質(zhì)合金刀具中，鈷質(zhì)量比例為10.0%、碳化鎢質(zhì)量比例為89.5%、其他化合物質(zhì)量比例為0.5%；切削刃寬度為12 mm，刀具后角恒定為12°。

木粉-聚乙烯復(fù)合材料(WFPEC)的正交切削試驗(yàn)是在刨床(B665，合肥工業(yè)大學(xué)，安徽)上進(jìn)行的(見(jiàn)圖1)，刀具固定在工作臺(tái)上，工件在水平方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)切削參數(shù)，刀具前角為10°、20°、30°、40°；切削深度為0.1、0.4、0.7、1.0 mm。應(yīng)用測(cè)力計(jì)Kistler 9257B測(cè)量動(dòng)態(tài)切削力，并使用Kisterler5070A軟件分析力信號(hào)；應(yīng)用紅外熱量?jī)x(A20，ThermoFinisher Co. Ltd.,美國(guó))測(cè)量切削過(guò)程中的切削溫度；應(yīng)用3D激光掃描顯微鏡VK-X100拍攝加工表面的3D輪廓，并測(cè)量加工表面的粗糙度。

圖1 木粉-聚乙烯復(fù)合材料正交切削示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響

由圖2可見(jiàn)：第一變形區(qū)位于刀具前端，第二變形區(qū)位于切屑底部與刀具的接觸點(diǎn)，第三變形區(qū)位于后刀面與加工面的接觸點(diǎn)。當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)，第一變形區(qū)的材料在刀具的作用下產(chǎn)生彈塑性變形。當(dāng)切屑形成并沿著刀具的前刀面流出時(shí)，第二變形區(qū)的材料受到刀具的擠壓和摩擦。在第三變形區(qū)，材料與刀具后刀面接觸，受到刀具的擠壓和摩擦。當(dāng)切削區(qū)的變形量較大時(shí)，切削力和切削溫度也會(huì)增加。

由正交切削時(shí)刀具前角對(duì)切削力的影響(見(jiàn)表1)可見(jiàn)：隨著刀具前角增大，切削力呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。這是因?yàn)榈毒咔敖窃龃髸r(shí)，第一變形區(qū)中材料的彈塑性變形程度降低，刀具需要克服的彈塑性變形產(chǎn)生的阻力減??；第二變形區(qū)和第三變形區(qū)中，刀具的前刀面和切屑之間的擠壓和摩擦行為的劇烈程度降低，刀具需要克服的摩擦阻力減??；所以切削力隨著刀具前角的增大而減小。

圖2 木粉-聚乙烯復(fù)合材料正交切削變形示意圖

由正交切削時(shí)切削深度對(duì)切削力的影響(見(jiàn)表1)可見(jiàn)：切削力隨著切削深度的增大而增大。這是因?yàn)榍邢魃疃仍龃髸r(shí)，第一變形區(qū)中材料的彈塑性變形增大，刀具需要克服的彈塑性變形產(chǎn)生的阻力增大；第二變形區(qū)和第三變形區(qū)中，刀具的前刀面和切屑之間的擠壓和摩擦行為的劇烈程度增大，刀具需要克服的摩擦阻力增大；所以，切削力隨著切削深度的增大而增大。

表1 不同切削前角和切削深度時(shí)的加工試件切削力

2.2 切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響

由正交切削時(shí)刀具前角對(duì)切削溫度的影響(見(jiàn)表2)可見(jiàn)：隨著刀具前角增大，切削溫度逐漸降低。當(dāng)?shù)毒咔敖窃龃髸r(shí)，第一變形區(qū)中材料的彈塑性變形程度降低，因木粉-聚乙烯復(fù)合材料發(fā)生彈塑性變形產(chǎn)生的熱量減小。此外，刀具前角的增大，會(huì)使刀具前刀面和切屑之間的擠壓摩擦行為的劇烈程度降低，也會(huì)使刀具后刀面和加工表面之間的擠壓摩擦行為的劇烈程度降低，所以切削中因摩擦產(chǎn)生的熱量減少。因此，隨著刀具前角增大，產(chǎn)生的切削熱逐漸減少，所以切削溫度降低。

由正交切削時(shí)切削深度對(duì)切削溫度的影響(見(jiàn)表2)可見(jiàn)：隨著切削深度的增大，切削溫度逐漸升高。當(dāng)切削深度增大時(shí)，第一變形區(qū)中材料的彈塑性變形程度增大，因木粉-聚乙烯復(fù)合材料發(fā)生彈塑性變形產(chǎn)生的熱量增多。切削深度的增大，會(huì)使切屑厚度增加，切屑和刀具前刀面之間的擠壓摩擦行為的劇烈程度增大。此外，切削深度的增大，會(huì)使刀具后刀面與加工表面材料之間的擠壓摩擦行為的劇烈程度增大，所以切削中因摩擦產(chǎn)生的熱量增加。因此，切削深度的增大會(huì)產(chǎn)生更多的切削熱，進(jìn)而使切削溫度升高。

表2 不同切削前角和切削深度時(shí)的加工試件切削溫度

2.3 切削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響

由表3可見(jiàn)：隨著刀具前角的增大，加工表面粗糙度逐漸減?。浑S著切削深度的增大，加工表面粗糙度逐漸增大。

切削深度為0.1 mm時(shí)，比較不同刀具前角的木粉-聚乙烯復(fù)合材料加工表面3D形貌(見(jiàn)圖3)可見(jiàn)：當(dāng)?shù)毒咔敖菫?0°時(shí)，加工表面的3D形貌圖中藍(lán)色區(qū)域較大，說(shuō)明加工表面具有較大范圍的凹坑。隨著刀具前角的增大，加工表面的3D形貌圖中紅色區(qū)域變化不顯著，但藍(lán)色區(qū)域逐漸減少，說(shuō)明加工表面的凹坑逐漸減少。當(dāng)?shù)毒咔敖菫?0°時(shí)，加工表面3D形貌圖中的顏色分布較均勻，說(shuō)明加工表面較平整。加工表面的3D形貌圖中有部分顏色較深的紅點(diǎn)，說(shuō)明加工表面上存在凸起程度較高的部分。

表3 不同切削前角和切削深度時(shí)的加工試件表面粗糙度

刀具前角為10°時(shí)，比較不同切削深度的木粉-聚乙烯復(fù)合材料加工表面3D形貌(見(jiàn)圖4)可見(jiàn)：當(dāng)切削深度為0.1 mm時(shí)，加工表面顏色分布均勻，說(shuō)明加工表面較平整。當(dāng)切削深度為0.4 mm時(shí)，加工表面3D形貌圖中的藍(lán)色區(qū)域較大，說(shuō)明加工表面出現(xiàn)了較大范圍的凹坑。當(dāng)切削深度為0.7 mm時(shí)，加工表面3D形貌圖中的紅色區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域的顏色加深，說(shuō)明加工表面上凸起程度升高，且凹坑深度變深。當(dāng)切削深度為1.0 mm時(shí)，加工表面3D形貌圖中紅色區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域的顏色加深，且范圍變大，說(shuō)明加工表面的凸起程度升高、凹坑深度變深，同時(shí)凸起和凹坑的范圍增大。

圖中區(qū)域的顏色越紅，表示該區(qū)域的凸起程度越大；圖中區(qū)域的顏色越藍(lán)，表示該區(qū)域的凹陷程度越深。圖4 不同切削深度時(shí)木粉-聚乙烯復(fù)合材料的加工表面3D形貌

經(jīng)分析加工表面及其3D形貌，引起加工表面質(zhì)量變差的主要原因，是加工表面的凸起和凹坑。凹坑的形成原因，為加工表面材料被刀具剝離，會(huì)在加工表面形成破壞性不平度。凸起的形成原因，為加工表面彈性恢復(fù)，會(huì)在加工表面形成彈性恢復(fù)不平度。在木粉-聚乙烯復(fù)合材料的切削過(guò)程中，當(dāng)切削溫度升高時(shí)，木粉-聚乙烯復(fù)合材料會(huì)發(fā)生軟化，軟化后的材料在大切削力條件下容易被刀具搓起，從加工表面分離，形成破壞性不平度。在切削過(guò)程中，加工表面材料受到刀具的擠壓作用會(huì)發(fā)生向下的彈塑性變形，當(dāng)?shù)毒唠x開(kāi)后，加工表面材料會(huì)發(fā)生一定的彈性恢復(fù)變形，形成彈性恢復(fù)不平度。

當(dāng)?shù)毒咔敖菫?0°時(shí)，切削力較大、切削溫度較高，加工表面會(huì)出現(xiàn)較大的破壞性不平度，且彈性恢復(fù)不平度較大。隨著刀具前角的增大，切削力逐漸減小、切削溫度逐漸降低，加工表面材料受到刀具的擠壓和摩擦作用逐漸減小，破壞性不平度會(huì)減少，彈性恢復(fù)不平度減小，因此，加工表面粗糙度隨著刀具前角的增大而逐漸減小。隨著切削深度的增大，切削力增大、切削溫度升高，加工表面上破壞性不平度會(huì)增多，彈性恢復(fù)不平度也會(huì)逐漸增大，所以，加工表面粗糙度隨著切削深度的增大而逐漸增大。

3 結(jié)論

木粉-聚乙烯復(fù)合材料的切削力隨著刀具前角的增大逐漸減小，但隨著切削深度的增大而逐漸增大。在實(shí)際加工中，可以適當(dāng)增大刀具前角，并降低切削深度，降低切削力，進(jìn)而提高切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

木粉-聚乙烯復(fù)合材料的切削溫度，隨著刀具前角的增大逐漸降低，但隨著切削深度的增大而逐漸升高在實(shí)際加工中，可以適當(dāng)增大刀具前角，并降低切削深度，降低切削溫度。

導(dǎo)致加工表面質(zhì)量變差的主要原因，是表面出現(xiàn)破壞性不平度和彈性恢復(fù)不平度。隨著切削力增大、切削溫度升高，破壞性不平度和彈性恢復(fù)不平度均增大，導(dǎo)致加工表面粗糙度增大。加工表面粗糙度，隨著刀具前角的增大而減小，隨著切削深度的增大而增大。在木粉-聚乙烯復(fù)合材料的精加工時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大刀具前角，并減小切削深度，提高加工表面質(zhì)量。但在木粉-聚乙烯復(fù)合材料的粗加工時(shí)，可采用大切削深度，提高加工效率。