高效刀具在树脂基玻璃纤维复合材料切削中的运用

王兆慧 常 成 吴伟萍

（哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨150000）

玻璃纤维复合材料的基体为树脂，其不仅具有良好的刚度与强度，还具有一定的抗疲劳特性，具有较为独特的可设计性，该材料在航空航天、国防以及民用领域得到了良好的应用。然而由于该材料难以实现切割，因此有必要对高效刀具在树脂基玻璃纤维复合材料切削中的应用展开探讨。

1 树脂基玻璃纤维复合材料的切削特性

树脂基玻璃纤维复合材料由两部分组成，一是硬度较高的玻璃纤维，二是较为柔软的树脂基体，该材料由缠绕方法制成。树脂基玻璃纤维复合材料的强度较高且钢度值超过了45 钢，同时其密底相对较低。在切削过程当中，由于树脂基玻璃纤维复合材料硬度较大，会对刀具产生极为严重的磨损。与其他金属材料的切削相同，切削热量与摩擦力是影响刀具寿命的主要因素，同时刃口的切削压力也会对刀具的使用寿命产生影响。由于树脂基玻璃纤维复合材料中含有的质点玻璃纤维硬度较高，会加速刀具的磨损，进而影响切削效果。

2 刀具选择要点分析

2.1 刀具材料

与工具钢相同，硬质合金材料与高速钢的硬度较高，并且耐磨性能良好，在实际应用中可以对振动与冲击进行良好的缓冲，基于此，其在刀具制作中应用较为广泛，其中，除了高速钢以外，硬质合金材料的应用最多。近年来，涂层刀具不断诞生与发展，应用空间极为广阔，此刀具是以高速钢或硬质合金材料作为基体，并在其外面涂上一层较薄的具有抗磨损与耐高温特性的化合物。在材料切削过程中，涂层作为刀具与材料接触的中间介质，可以降低对刀具的磨损，进而延长刀具的使用寿命。玻璃纤维复合材料具有硬度高的特点，然而其不具备良好的散热性能，高热量会加剧刀具的磨损情况，基于此，在切割树脂基玻璃纤维复合材料时，可采用抗高温、硬度较高且耐磨性良好的材料作为刀具材料。

2.2 刀具几何参数

刀具的几何参数包含前角与后角，此外还要对主偏角以及副偏角进行考量。

2.2.1 前角参数

刀具的几何参数会对刀具的切削性能产生影响，是决定切削效果的重要因素。作为刀具最为关键的角度，前角越大，切削刀刃将会更加锋利，同时也不会出现较为明显的切削变形现象。同时，其切削力相对较小，切削温度也并不高，不会对刀具产生严重磨损，表面加工的粗糙度也相对较小。然而前角过大会明显降低切削刀刃的强度，由于切屑具有抗断性的特点，切削过程中无法及时消除热量，因此切削温度会不断升高，进而增强对刀具的磨损，刀具的使用寿命会大大缩短。在前角参数设定时，必须将工件材料的特性纳入考量，在进行塑性金属材料进行加工时可增大前角，对脆性材料加工时则可适当降低前角。也就是说，材料的硬度及强度值与前角参数成反比，因此在对玻璃纤维复合材料加工时，应选择前角较小的刀具进行切削。

2.2.2 后角参数

切削效果的另一影响因素是刀具的后角。在后角较大时，刀具的后刀面不会与工件之间产生较大的摩擦，切削热量也不高。后角越大，切削刀刃越锋利，刀削表现的粗糙度也相对较低。然而后角过大会对切削刀刃的强度产生影响，甚至会导致崩刃。基于此，刀具的刀刃强度是由后角决定的，在刀刃强度适合时，前角较大切割效果越好。在对树脂基玻璃纤维复合材料进行切削时应选择后角较大的刀具。

2.2.3 主偏角与副偏角

主偏角与副偏角越小，切削刀刃的强度值越高，并且具备更好的散热能力，可获得相对较小的表面粗糙度，然而主副偏角过小会导致背向力的提升，工件或刀杆会出现变形问题，也会出现工艺系统振动的情况。在进行强度与硬度较高的材料加工时，选择主偏角较小的刀具，可以延长刀具的使用寿命。因此，在进行硬度较高的玻璃纤维复合材料切割时，所选用的刀具的主偏角与副偏角应相对较小。

3 树脂基玻璃纤维复合材料切削刀具的选用情况分析

选取长与外径分别为1300 与φ130mm 的玻璃纤维缠绕管零件进行切削试验，对其外圆进行切削。

3.1 硬质合金刀具的试用

首先对该零件的特点进行分析，选用硬质合金刀具进行切削试验，为了增强刀具的抗高温与抗磨损性能，选择800刀尖角、后角与前角均为0o的等边不等角六边形刀具进行切割，该刀具具有单面C 形断屑槽，由YT758 材质制成。此种刀具具有良好的抗高温特性，也具备极佳的抗氧化性能，具有较高的硬度与抗磨性，对高硬度材料的零件加工较为适用。选用此刀片进行试验零件的外圆切削时，出现了严重的刀具磨损现象，零件外表面粗糙现象较为明显。切削时必须不断进行磨刃，每磨一次只能切削一次，如进行多次切削会导致零件外表现会留有明显的撕裂印迹，同时会产生大量热量进而导致工件的损毁。运用此种刀具进行切削，切削效率相对较低，切削工人的工作量较高，要求操作者具备较高的技能，切削质量不可控，无法实现量产。

3.2 涂层刀具的试用

结合硬质合金刀具的试用情况，再次选用涂层刀具进行试验。该刀具由山特维克公司生产，为600刀尖角的等边三角形刀具，后角为0o，由GC4015 材料制成，此刀具由硬质合金为基体，表面覆盖了一层金黄色的TiN 涂层，在切削时，刀片的摩擦系数得以有效降低，明显提升了刀具的耐磨性能。运用此刀具在相同切削参数条件下进行切削，完成后刀片的涂层出现了较为严重的磨损情况，零件的外表面也留有明显的撕裂印迹，因此，此刀具在树脂基玻璃纤维复合材料切削中实用性并不佳。

3.3 高效刀具的选用

3.3.1 选用高硬度刀具

通过上述试验发现，在树脂基玻璃纤维复合材料切削时采用高速钢以及硬质合金刀具都会产生刀具磨损的现象，难以提升加工效率，因此，应选用硬度更高的刀具进行树脂基玻璃纤维复合材料的切割。在人造金刚石微粉中加入适量的溶剂以及催化剂，通过高温与高压环境而聚合成的多晶体材料即是聚晶金刚石，由此种材料以硬质合金基体并安装了镶金刀片而制成的刀具，抗冲击性良好，且具有较高的抗弯强度，抗振性能也较为理想。此材料比硬质合金的硬度与抗磨性更佳，使用寿命提升了百倍之多，同时，刀具的刃口极为锋利，不会产生较大的摩擦系数，可应用于有色金属材料的切削，也可加工非金属材料。结合上述分析，可选用山特维克公司生产的600刀尖角、后角为70o的等边三角形刀具，刀片由CDI0 的聚晶金刚石材料制成。

3.3.2 选定切削工艺参数

作为新型高效刀具，聚晶金刚石刀片在进行参数选择时可参考数据并不多，因此，必须通过加工试验，以硬质合金切削参数为依据进行工艺试验，并结合堆件与切割材料的特点而进行最终工艺参数的确定。确定参数的标准是可一次性去除切削余量。通过进行大量的切削试验后可发现，此刀具具有良好的稳定性，一个刀片可进行150 个零件的加工，切削过程中无需磨刀，刀尖磨损并不严重，同时零件的表现粗糙度相对较低，呈现出良好的光洁度，无需再次使用砂布进行抛光，有效降低了操作工人的工作强度，加工时间也得以明显降低，实现了加工成本的有效控制。运用此刀具进行试验零件的加工，每班加工量可多达20 件，提高了生产效率，同时零件加工质量也得以显著提升，实现了切削工艺的稳定。

结束语

在切削树脂基玻璃纤维复合材料时，选择高效的聚合金刚石刀片进行切割，并合理进行切削参数的设定，可以有效提高该材料切削的稳定性，可以实现加工效率的显著提升，减少加工时的材料与时间成本，可加工出质量优质的零件，这对加工企业的经济效益有明显的提升效果。