刀具前角對(duì)木塑復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的影響

孫成崗 朱夢(mèng)男 郭曉磊

（1.浙江巨美家科技有限公司, 浙江 湖州 313015；2.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(wood plastic composite, WPC)由木粉和PE 為主要原料，輔以多種添加劑制備而成的一種復(fù)合材料，同時(shí)將木材和塑料的性能結(jié)合起來(lái)，不僅具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)在防腐、阻燃、防水和抗老化等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1,2]。因此WPC 廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾、城市景觀設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)中式家具等[3-6]。

WPC 作為一種新型的環(huán)保材料，人們對(duì)其的需求也日益增加，因此對(duì)WPC 產(chǎn)品加工質(zhì)量的要求也更高。蔣榮升[7]采用單因素方差分析方法分析了不同刀具前角和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)WPC 已加工工件表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，隨著刀具前角的增大，已加工工件表面質(zhì)量逐漸升高，但主軸轉(zhuǎn)速增大，其表面質(zhì)量逐漸變差。高語(yǔ)[8,9]研究了木纖維增強(qiáng)氧化鎂復(fù)合材料錐形銑削，分析了刀具錐度角、銑削速度和銑削深度對(duì)已加工工件表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，已加工工件表面質(zhì)量隨著刀具錐度角和銑削速度的增大而升高，但是隨著銑削深度增大而降低。張豐和陳凱[10-12]研究了刨削時(shí)加工質(zhì)量的預(yù)測(cè)模型和切削參數(shù)對(duì)木塑復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響，曹平祥、郭曉磊和朱兆龍[13-17]也研究了木質(zhì)復(fù)合材料與切削參數(shù)之間的規(guī)律，但是對(duì)于木塑復(fù)合材料銑削加工的相關(guān)規(guī)律研究較少，需要進(jìn)一步研究銑削參數(shù)與木塑復(fù)合材料加工的影響規(guī)律。

本文通過對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行直齒圓柱銑削試驗(yàn)，研究了刀具角度和每齒進(jìn)給量對(duì)木塑復(fù)合材料銑削過程中切削力、切削溫度和已加工工件表面質(zhì)量的變化規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選取的是木粉和PE 配比為7∶3 的木塑復(fù)合材料(浙江GIMIG 科技有限公司)作為加工試件，該公司主營(yíng)木塑地板、木塑墻板和木塑建筑材料，其生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T24508-2020,主要應(yīng)用于室內(nèi)及室外的地板。其材料性能執(zhí)行GB/T29418-2012，試驗(yàn)材料規(guī)格與物理性能見表1。刀具采用上海博深普銳高工具有限公司提供得硬質(zhì)合金單齒柄銑刀，刀柄直徑16 mm，刀具前角2°、6°和10°，楔角固定為45°。

表1 木塑復(fù)合材料的材料性能

1.2 試驗(yàn)方法

切削試驗(yàn)在MGK01 高速切削加工中心(南興木工機(jī)械有限公司)開展；同時(shí)用9257B 石英三向測(cè)力儀(瑞士Kistler 公司)采集切削力，經(jīng)電荷放大器5070A 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后由計(jì)算機(jī)中Dynoware軟件得出切削力值。東京精密生產(chǎn)的探針式SURFCOM NEX001SD-12 表面粗糙度儀測(cè)量配合軟件ACCTee Version5.6.11.0 采集數(shù)據(jù)；紅外熱成像(Thermo Vision A20,Thermo Finisher Co.Ltd,USA)；用環(huán)境掃描電鏡(FEI Quanta 200,荷蘭)掃描已加工工件表面更細(xì)微的損傷。

試驗(yàn)采用直齒圓柱銑削方式，影響木塑復(fù)合材料的已加工表面質(zhì)量的主要因素為刀具前角和每齒進(jìn)給量。本文主要研究調(diào)整不同刀具前角和每齒進(jìn)給量對(duì)WPC 加工表面質(zhì)量的影響，得到最佳的加工參數(shù)。選取2°、6°和10°的刀具前角和0.1 mm/Z、0.3 mm/Z 和0.5 mm/Z 的每齒進(jìn)給量加工工件（表2）。

表2 切削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響

2.1.1 刀具前角對(duì)切削力的影響

在切削深度1.0 mm 和每齒進(jìn)給量Uz=0.3 mm/Z時(shí)，從圖1 可以看出，在前角2°時(shí),切向切削力Fx和徑向切削力Fy分別為141.14 N 和162.81 N；在前角10°時(shí)，切向切削力Fx和徑向切削力Fy為89.23N和112.16 N，分別降低了36.8%和32.1%。隨著刀具前角的增大，切向切削力Fx和徑向切削力Fy逐漸漸小。

圖1 刀具前角與切削力的關(guān)系

在WPC 加工工程中，較小的刀具前角，刀具的前刀面對(duì)切屑的擠壓越大，切屑與前刀面的摩擦越大，切屑變形越大，所消耗的切削力更大。隨著刀具前角的增大，刀具前刀面與切屑的接觸擠壓變形減小，刀具前刀面與切屑的摩擦減小，刀具后刀面與已加工工件表面摩擦減小，所消耗的切削力減小。另一方面原因是，刀具前角增大，刀具的切削刃更加鋒利，所以在加工工件時(shí)，切向切削力Fx和徑向切削力Fy逐漸降低。

2.1.2 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

從圖2 可以看出，在刀具前角2°時(shí)，每齒進(jìn)給量0.1 mm/Z，切向切削力Fx和徑向切削力Fy分別為108.14N 和100.12N；在每齒進(jìn)給量0.5 mm/Z 時(shí)，切向切削力Fx和徑向切削力Fy分別為198.38 N 和240.92 N，分別升高了54.5%和41.55%。隨著每齒進(jìn)給量的增大，切向切削力Fx和徑向切削力Fy逐漸增大。

圖2 每齒進(jìn)給量與切削力的關(guān)系

在加工工件過程中，隨著每齒進(jìn)給量的增大，刀具前刀面刀刃切入工件量增大，單位面積的切削量增加，刀具的前刀面受到的阻力增大，刀具承受載荷增大導(dǎo)致Fx和Fy增大。另一方面，隨著每齒進(jìn)給量的增大，切屑量增加致使刀具與工件之間的摩擦面積增大，摩擦力增大，因此Fx和Fy增大，與此同時(shí)，由于材料中木粉的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PE 的含量，工件的抗沖擊強(qiáng)度較大，因此在加工工件過程中刀具受到的沖擊力增大，所以Fx和Fy增大。

2.2 切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響

2.2.1 刀具前角對(duì)切削溫度的影響

在切削深度1.0 mm 和每齒進(jìn)給量Uz=0.1 mm/Z加工條件時(shí)，由圖3 可以看出，在刀具前角為2°~10°時(shí)，切削溫度呈現(xiàn)出隨著刀具前角的增大而逐漸降低的趨勢(shì)，切削溫度分別為57.12℃和44.7℃，降低了22.9%。切削熱主要是由于刀具前刀面和切屑之間的摩擦而產(chǎn)生，因?yàn)殡S著刀具前角的增大，刀齒更加鋒利，在加工WPC過程中切屑更易去除，切屑帶走了大量的熱量，而且前角的增大致使后角的減小，同時(shí)減小了后刀面與已加工過的工件表面摩擦減小，所以切削溫度逐漸降低。另一方面，隨著刀具前角的增大，單位切削力減小，因此在加工工件過程中切削熱減少。

2.2.2 每齒進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響

在切削深度1.5 mm 和刀具前角分別為2°、6°和10°時(shí)，由圖4 可以看出，在刀具前角6°時(shí)，每齒進(jìn)給量0.1 mm/Z 時(shí)切削溫度是55.66℃，在每齒進(jìn)給量0.5 mm/Z 時(shí)，切削溫度降低至40.35℃，降低了27.51%。隨著每齒進(jìn)給量的增大，切削溫度逐漸降低。

圖4 每齒進(jìn)給量與切削溫度的關(guān)系

隨著每齒進(jìn)給量的增加，在加工工件過程中單位面積切屑量增多致使切削力增大，因此切屑與刀具直接劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱，但是隨著切屑剝離工件帶走了大量的熱，另一方面，在加工工件過程中，刀具后刀面與已加工工件表面之間的摩擦產(chǎn)生熱在切屑剝離工件的時(shí)候被刀具帶走，故而切削溫度逐漸降低。

2.3 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

2.3.1 刀具前角對(duì)表面粗糙度的影響

在切削深度1.5 mm 和每齒進(jìn)給量Uz=0.1 mm/Z加工條件時(shí)，由圖5 和圖6 可以看出，隨著刀具前角的增大，已加工工件表面粗糙度逐漸降低且表面的毛刺、凹坑和凸起逐漸減少，在前角為2°和10°時(shí)的表面粗糙度分別為3.41 μm 和2.93 μm，降低了24.1%。這主要是隨著刀具前角的增大導(dǎo)致刀具在加工工件時(shí)，刀具的前刀面與切屑之間的變形減小和前刀面對(duì)切屑的擠壓破壞減小，減少了已加工工件表面毛刺、凹坑和凸起的生成。另一方面，隨著刀具前角的增大，楔角不變，即刀具后角減小，因此刀具的后刀面與已加工工件表面之間的摩擦減小，從而表面粗糙度逐漸降低，提高了已加工工件表面質(zhì)量。

圖5 刀具前角與表面粗糙度的關(guān)系

2.3.2 每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

在切削深度0.5 mm 和刀具前角分別為2°、6°和10°時(shí)，由圖7 可知，在刀具前角10°時(shí)，每齒進(jìn)給量0.1 mm/Z 時(shí)，表面粗糙度值為2.216 μm，增大每齒進(jìn)給量至0.5 mm/Z 時(shí)，表面粗糙度值降為1.603 μm，降低了27.69%。隨著每齒進(jìn)給量的增大，已加工工件表面質(zhì)量逐漸升高。原因是隨著每齒進(jìn)給量的增大，主軸轉(zhuǎn)速逐漸增大，因此在加工工件時(shí)平均切削厚度減小，刀具-工件之間產(chǎn)生的震動(dòng)幅度減小，切削過程更加穩(wěn)定，表面粗糙降低，因此提高了工件加工質(zhì)量。另一方面，在加工過程中，波紋深度對(duì)被加工工件的表面粗糙度有影響，然而波紋寬度會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，從而隨著每齒進(jìn)給量的增大，表面粗糙度值會(huì)逐漸減小，工件加工質(zhì)量提高。

圖7 每齒進(jìn)給量與表面粗糙度的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文在在MGK01 高速切削加工中心上對(duì)木粉/PE 的木塑復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，研究了刀具前角和每齒進(jìn)給量對(duì)WPC 的切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）WPC 的切削力隨著刀具前角的增大逐漸降低，但是隨著每齒進(jìn)給量的增大逐漸增大。在粗加工中可適當(dāng)增大刀具前角和減小每齒進(jìn)給量來(lái)減小切削力，進(jìn)而減少加工時(shí)的高能耗問題和提高切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）WPC 的切削溫度隨著刀具前角每齒進(jìn)給量的增大逐漸降低。在粗加工中增大刀具前角，可以降低切削溫度進(jìn)而提高刀具的使用壽命。

（3）導(dǎo)致已加工工件表面差的主要原因是表面的凹坑與凸起和波紋寬度。隨著切削力和切削溫度的增大，表面的凹坑與凸起和波紋寬度增大，表面質(zhì)量變差。隨著刀具前角和每齒進(jìn)給量的增大，已加工工件表面的粗糙度值逐漸降低。在WPC精加工過程中，應(yīng)適當(dāng)增大刀具前角和每齒進(jìn)給量來(lái)提高已加工工件表面質(zhì)量和提高加工效率。