刀具前角和切削深度对木粉-聚乙烯复合材料正交切削表面质量的影响1)

张丰 伍占文 郭晓磊 庆振华 常伟杰

(南京林业大学，南京，210037) (合肥工业大学)

木粉-聚乙烯复合材料可以回收利用[1-2]，对环境无害，所以木粉-聚乙烯复合材料被认为是一种环境友好型材料。与传统的实木相比，木粉-聚乙烯复合材料不需要添加防腐剂和防水剂等添加剂，具有较高的稳定性[3-5]。作为一种新型的复合材料，木粉-聚乙烯复合材料具有极高的耐腐蚀性，因此被广泛应用于露台、建筑、家具、汽车等邻域[6-8]。木粉-聚乙烯复合材料的二次加工是提高加工质量的重要途径。目前，常用的二次加工方法有锯切、铣削、钻孔、磨削[9-11]，但经常出现切削质量差等问题。已有研究表明，切削力和切削温度对加工表面粗糙度有重要的影响[12-13]。

正交切削是切削工艺的一种基本方法，适用于分析切削力、切削温度以及表面质量等问题[14]。闫奎呈等[15]采用正交切削法，研究了(Ti,Al)N+TiN涂层硬质合金刀具车削GH2132铁基高温合金时，车削参数对车削过程中切削力、切削温度、表面粗糙度的影响；Veiga et al.[16]采用正交切削法，研究了切削温度的分布规律；Guo et al.[17]采用正交切削法，研究了木塑复合材料切削过程中切削参数对切削力、切屑形态的影响；本研究在借鉴已有研究基础上，以木粉-聚乙烯复合材料为试材，设计不同刀具前角、不同切削深度，选用硬质合金刀具和刨床(B665)对木粉-聚乙烯复合材料进行正交切削试验；测定切削力、切削温度、加工表面3D轮廓、加工表面粗糙度，分析刀具前角和切削深度对木塑复合材料正交切削表面质量的影响。旨在为提高木粉-聚乙烯复合材料的切削加工质量提供参考。

1 材料与方法

试验采用的木粉-聚乙烯复合材料，由中国安徽国丰木塑复合材料有限公司提供。木粉-聚乙烯复合材料中，松树木粉质量比例为48%、聚乙烯质量比例为34%；木粉-聚乙烯复合材料的密度为1.24 g/cm3、弹性模量2 060 MPa、弯曲强度20.32 MPa；工件长度250 mm、宽度100 mm、厚度8 mm。

试验采用的硬质合金刀具，由中国长沙迪克硬质合金有限公司提供。这种硬质合金刀具中，钴质量比例为10.0%、碳化钨质量比例为89.5%、其他化合物质量比例为0.5%；切削刃宽度为12 mm，刀具后角恒定为12°。

木粉-聚乙烯复合材料(WFPEC)的正交切削试验是在刨床(B665，合肥工业大学，安徽)上进行的(见图1)，刀具固定在工作台上，工件在水平方向做往复运动。试验设计切削参数，刀具前角为10°、20°、30°、40°；切削深度为0.1、0.4、0.7、1.0 mm。应用测力计Kistler 9257B测量动态切削力，并使用Kisterler5070A软件分析力信号；应用红外热量仪(A20，ThermoFinisher Co. Ltd.,美国)测量切削过程中的切削温度；应用3D激光扫描显微镜VK-X100拍摄加工表面的3D轮廓，并测量加工表面的粗糙度。

图1 木粉-聚乙烯复合材料正交切削示意图

2 结果与分析

2.1 切削参数对切削力的影响

由图2可见：第一变形区位于刀具前端，第二变形区位于切屑底部与刀具的接触点，第三变形区位于后刀面与加工面的接触点。当刀具切入工件时，第一变形区的材料在刀具的作用下产生弹塑性变形。当切屑形成并沿着刀具的前刀面流出时，第二变形区的材料受到刀具的挤压和摩擦。在第三变形区，材料与刀具后刀面接触，受到刀具的挤压和摩擦。当切削区的变形量较大时，切削力和切削温度也会增加。

由正交切削时刀具前角对切削力的影响(见表1)可见：随着刀具前角增大，切削力呈现递减的趋势。这是因为刀具前角增大时，第一变形区中材料的弹塑性变形程度降低，刀具需要克服的弹塑性变形产生的阻力减小；第二变形区和第三变形区中，刀具的前刀面和切屑之间的挤压和摩擦行为的剧烈程度降低，刀具需要克服的摩擦阻力减小；所以切削力随着刀具前角的增大而减小。

图2 木粉-聚乙烯复合材料正交切削变形示意图

由正交切削时切削深度对切削力的影响(见表1)可见：切削力随着切削深度的增大而增大。这是因为切削深度增大时，第一变形区中材料的弹塑性变形增大，刀具需要克服的弹塑性变形产生的阻力增大；第二变形区和第三变形区中，刀具的前刀面和切屑之间的挤压和摩擦行为的剧烈程度增大，刀具需要克服的摩擦阻力增大；所以，切削力随着切削深度的增大而增大。

表1 不同切削前角和切削深度时的加工试件切削力

2.2 切削参数对切削温度的影响

由正交切削时刀具前角对切削温度的影响(见表2)可见：随着刀具前角增大，切削温度逐渐降低。当刀具前角增大时，第一变形区中材料的弹塑性变形程度降低，因木粉-聚乙烯复合材料发生弹塑性变形产生的热量减小。此外，刀具前角的增大，会使刀具前刀面和切屑之间的挤压摩擦行为的剧烈程度降低，也会使刀具后刀面和加工表面之间的挤压摩擦行为的剧烈程度降低，所以切削中因摩擦产生的热量减少。因此，随着刀具前角增大，产生的切削热逐渐减少，所以切削温度降低。

由正交切削时切削深度对切削温度的影响(见表2)可见：随着切削深度的增大，切削温度逐渐升高。当切削深度增大时，第一变形区中材料的弹塑性变形程度增大，因木粉-聚乙烯复合材料发生弹塑性变形产生的热量增多。切削深度的增大，会使切屑厚度增加，切屑和刀具前刀面之间的挤压摩擦行为的剧烈程度增大。此外，切削深度的增大，会使刀具后刀面与加工表面材料之间的挤压摩擦行为的剧烈程度增大，所以切削中因摩擦产生的热量增加。因此，切削深度的增大会产生更多的切削热，进而使切削温度升高。

表2 不同切削前角和切削深度时的加工试件切削温度

2.3 切削参数对加工表面质量的影响

由表3可见：随着刀具前角的增大，加工表面粗糙度逐渐减小；随着切削深度的增大，加工表面粗糙度逐渐增大。

切削深度为0.1 mm时，比较不同刀具前角的木粉-聚乙烯复合材料加工表面3D形貌(见图3)可见：当刀具前角为10°时，加工表面的3D形貌图中蓝色区域较大，说明加工表面具有较大范围的凹坑。随着刀具前角的增大，加工表面的3D形貌图中红色区域变化不显著，但蓝色区域逐渐减少，说明加工表面的凹坑逐渐减少。当刀具前角为40°时，加工表面3D形貌图中的颜色分布较均匀，说明加工表面较平整。加工表面的3D形貌图中有部分颜色较深的红点，说明加工表面上存在凸起程度较高的部分。

表3 不同切削前角和切削深度时的加工试件表面粗糙度

刀具前角为10°时，比较不同切削深度的木粉-聚乙烯复合材料加工表面3D形貌(见图4)可见：当切削深度为0.1 mm时，加工表面颜色分布均匀，说明加工表面较平整。当切削深度为0.4 mm时，加工表面3D形貌图中的蓝色区域较大，说明加工表面出现了较大范围的凹坑。当切削深度为0.7 mm时，加工表面3D形貌图中的红色区域和蓝色区域的颜色加深，说明加工表面上凸起程度升高，且凹坑深度变深。当切削深度为1.0 mm时，加工表面3D形貌图中红色区域和蓝色区域的颜色加深，且范围变大，说明加工表面的凸起程度升高、凹坑深度变深，同时凸起和凹坑的范围增大。

图中区域的颜色越红，表示该区域的凸起程度越大；图中区域的颜色越蓝，表示该区域的凹陷程度越深。图4 不同切削深度时木粉-聚乙烯复合材料的加工表面3D形貌

经分析加工表面及其3D形貌，引起加工表面质量变差的主要原因，是加工表面的凸起和凹坑。凹坑的形成原因，为加工表面材料被刀具剥离，会在加工表面形成破坏性不平度。凸起的形成原因，为加工表面弹性恢复，会在加工表面形成弹性恢复不平度。在木粉-聚乙烯复合材料的切削过程中，当切削温度升高时，木粉-聚乙烯复合材料会发生软化，软化后的材料在大切削力条件下容易被刀具搓起，从加工表面分离，形成破坏性不平度。在切削过程中，加工表面材料受到刀具的挤压作用会发生向下的弹塑性变形，当刀具离开后，加工表面材料会发生一定的弹性恢复变形，形成弹性恢复不平度。

当刀具前角为10°时，切削力较大、切削温度较高，加工表面会出现较大的破坏性不平度，且弹性恢复不平度较大。随着刀具前角的增大，切削力逐渐减小、切削温度逐渐降低，加工表面材料受到刀具的挤压和摩擦作用逐渐减小，破坏性不平度会减少，弹性恢复不平度减小，因此，加工表面粗糙度随着刀具前角的增大而逐渐减小。随着切削深度的增大，切削力增大、切削温度升高，加工表面上破坏性不平度会增多，弹性恢复不平度也会逐渐增大，所以，加工表面粗糙度随着切削深度的增大而逐渐增大。

3 结论

木粉-聚乙烯复合材料的切削力随着刀具前角的增大逐渐减小，但随着切削深度的增大而逐渐增大。在实际加工中，可以适当增大刀具前角，并降低切削深度，降低切削力，进而提高切削系统的稳定性。

木粉-聚乙烯复合材料的切削温度，随着刀具前角的增大逐渐降低，但随着切削深度的增大而逐渐升高在实际加工中，可以适当增大刀具前角，并降低切削深度，降低切削温度。

导致加工表面质量变差的主要原因，是表面出现破坏性不平度和弹性恢复不平度。随着切削力增大、切削温度升高，破坏性不平度和弹性恢复不平度均增大，导致加工表面粗糙度增大。加工表面粗糙度，随着刀具前角的增大而减小，随着切削深度的增大而增大。在木粉-聚乙烯复合材料的精加工时，应适当增大刀具前角，并减小切削深度，提高加工表面质量。但在木粉-聚乙烯复合材料的粗加工时，可采用大切削深度，提高加工效率。