刀具前角与切削深度影响木塑复合材料切削性能试验研究 朱梦男， 庆振华， 周杰， 杨沛

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[size=1em]朱梦男1，][size=1em]摘 要：木塑复合材料是一种具有优异的力学性能且环保的材料，但木塑复合材料在二次加工过程中，由于切削参数的不同致使加工质量有所不同，为研究它们之间的规律，以聚乙烯基木塑复合材料为试验材料，通过建立线性回归模型与方差分析，研究切削参数与切削性能之间的关系。研究结果表明：切削力表面粗糙度Ra随着刀具角度的增大而呈现下降趋势，随着切削深度的增大而逐渐增大，方差分析表明：刀具前角γ和切削深度h对切削力影响非常显著，且切削深度h>刀具前角γ；刀具前角γ、切削深度h和二次项( h2 )对表面粗糙度Ra的影响非常显著, 且刀具前角γ > 切削深度h。在木塑复合材料精加工过程中，可以通过较大的刀具前角和低切削深度产生更好的表面质量，继而提高加工效率。

[size=1em]关键词：木塑复合材料；刀具前角；切削深度；方差分析；表面粗糙度

[size=1em]木塑复合材料(Wood-plastic composite,WPC)是以木纤维和热塑性塑料为主要成分，添加阻燃剂、抗氧化剂和交联剂等添加剂熔融制成的一种既环保又具有优异的物理性能(防水、耐老化等)和化学性能(耐腐蚀、阻燃性能)[1-6]的环保材料，广泛应用于园林景观设计、建筑材料、工业产品和包装领域[7,8]，但是WPC往往需要二次加工，铣削、锯切、钻削和刨削为主要加工方法，其中刨削最为常用，且刀具往往为具有高硬度、高耐磨性、优异耐热性、高使用寿命和高加工质量的硬质合金刀具[9,10]。蒋荣升[11]等采用单因素法分析了主轴转速和刀具角度对WPC加工质量的影响，结果表明随着主轴转速和刀具前角的增大，加工表面质量逐渐提高。高语[12,13]等研究了木纤维增强氧化镁复合材料锥形铣削，分析了刀具锥度角、铣削速度对表面质量的影响，研究结果表明，工件表面质量随着刀具锥度角和铣削速度的增大而提高，但是随着铣削深度的增大而降低。Pei[14,15]等研究表明：切削参数的变化对切削力和切削温度有影响，但该研究未揭示切削参数与表面质量之间的影响。曹平祥和郭晓磊[16-21]等都研究了木质复合材料与切削参数之间的规律，张丰和陈凯[22-24]等研究了刨削时加工质量的预测模型，但是在刨削加工方面，切削参数对于加工质量的影响规律还有所欠缺，需要进一步研究。

[size=1em]笔者通过对木塑复合材料进行刨削试验，研究刀具前角和切削深度在WPC刨削过程中对切削力与表面粗糙度的影响，采用建立切削力与表面粗糙度的线性回归模型和方差分析的方法[25]，分析刀具前角和切削深度对表面粗糙度的影响规律，为实际生产提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]由安徽国丰木塑复合材料有限公司提供的木塑复合材料直接加工成尺寸为200 mm×60 mm×10 mm的试验件。该工件为以PE(30%)和木材纤维(67%)为主要原料，添加交联剂、润滑剂和抗氧剂等添加剂，通过挤压成型的板材。其详细物理性能见表1。

[size=0.8em]表1 木塑复合材料的物理性能

[size=1em]本试验所使用的刀具由长沙迪克硬质合金有限公司生产，刀具基体为45#钢，刀片镶嵌硬质合金，切削刃宽度为12 mm，此刀片不仅有锋利的切削刃，而且还保证了刀具的韧性。刀具的物理性能如表2所示。

[size=0.8em]表2 刀具角度参数和材料特性

1.2 试验方法

[size=1em]试验在刨床(B665，合肥工业大学)上进行的，刀具固定在测力仪上，工件在水平方向上进行往复运动，进给速度恒定为17.9 m/min，如图1所示。用测力仪Kistler 9257B采集动态切削力，并使用电脑Dynoware软件分析切削力，信号以7 100 Hz的频率采样5次，5次测量值的平均值为切削力值。用3D激光扫面轮廓仪(VK-X100，日本)扫描已加工工件表面的3D轮廓，并测量表面粗糙度。用环境扫描电镜(FEI Quanta 200，荷兰)扫描已加工工件表面更细微的损伤。通过改变刀具角度和切削深度研究其对加工质量的影响，试验设计方案如表3所示。

[size=0.8em]图1 切削示意图

[size=0.8em]表3 切削试验设计

2 结果与讨论2.1 刀具前角与切削深度对切削力的影响

[size=1em]在切削深度为0.7 mm时，刀具前角对切削力的影响趋势如图2所示，可以看出，在刀具前角为5 °时，切削力为510.2 N；在刀具前角为25 °时，切削力降至290.7 N，降低了43.2 %。随着刀具前角的逐渐增大,切削力逐渐减小。在WPC加工过程中，刀具前角较小的前刀面对切屑的挤压越大，切屑与前刀面之间产生的摩擦力越大，刀具要克服摩擦所消耗的切削力更大。随着刀具前角的增大，刀具前刀面与切屑之间的接触挤压变形和摩擦都减小，因此所消耗的切削力减小。另一方面，随着刀具前角的增大，刀具的切削刃更加锋利，在加工工件过程中，切屑更容易被去除，因此随着刀具前角的增大，切削力逐渐降低。

[size=0.8em]图2 刀具前角对切削力的影响

[size=1em]刀具前角5 °、15 °、25 °时，切削深度对切削力的影响趋势如图3所示，可以看出，在刀具前角为25°、切削深度为0.1 mm时，切削力为89.6 N；切削深度为1.0 mm时，切削力为352.5 N，增大了75.4 %，即随着切削深度的增大切削力逐渐增大。因为随着切削深度的增大,刀具的前刀面与工件的接触面积增大，致使刀具前刀面与工件之间的摩擦增大，所以切削力增大。另一方面，随着切削深度的增大，刀刃从工件上单位面积去除的切屑量增多，因此刀具需要克服因切屑量产生的阻碍刀具前进的力，所以随着切削深度的增大，切削力逐渐增大。

[size=0.8em]图3 切削深度对切削力的影响

2.2 切削力回归模型的建立与方差分析

[size=1em]根据表4试验结果，为了使数据更加平稳，在数据处理阶段对数据进行了数据处理，再利用minitab软件对15组刀具前角和切削深度进行切削力的回归数据分析，得出木塑复合材料切削力F的回归方程：

[size=0.8em]表4 试验结果(切削力和表面粗糙度)

[size=1em]F=e6.89×h0.65×γ-0.32

[size=1em](1)

[size=1em]由表5刀具前角和切削深度对切削力回归模型分析汇总中可知，模型的R-sq值为0.97，R-sq(预测)值为0.95，此模型的决定系数都非常接近1，且变异系数都比较小，因此所得的模型拟合较好。

[size=0.8em]表5 切削力模型分析

[size=1em]切削力的方差分析结果如表6所示，模型中，F=161.46，P= 0<0.01,表明该模型非常显著。此外，通过分析刀具前角和切削深度对切削力的影响发现：刀具前角和切削深度对切削力F的影响非常显著(P<0.01),它们对切削力主效应顺序依次为：切削深度h>刀具前角γ。

[size=0.8em]表6 方差分析

2.3 刀具前角与切削深度对已加工工件表面质量的影响

[size=1em]图4是在切削深度为0.5 mm时，刀具前角对已加工工件表面粗糙度Ra的影响趋势图，图 5(a)、(b)和(c)是刀具前角分别为5 °、15 °和 25 °时3D扫描轮廓仪和SEM拍摄的已加工工件表面的表面图、3D轮廓图和扫描电镜图。

[size=0.8em]图4 刀具前角对表面粗糙度Ra的影响

[size=0.8em]图5 已加工工件表面的表面图、3D扫描轮廓图和扫描电镜图

[size=1em]由图4可以看出，在刀具前角为5 °时，表面粗糙度Ra为3.71 μm，刀具前角为25 °时，表面粗糙度Ra为2.73 μm，降低了26.4 %，随着刀具前角的增大，表面粗糙度Ra逐渐减小。因为随着刀具前角的增大，刀具的前刀面与切屑之间的变形和对切屑的挤压破坏减小，所消耗的切削力也逐渐变小，所以由切屑摩擦产生的表面不平整度有所下降，并减少了已加工工件表面的毛刺、凹坑和凸起的生成。

[size=1em]为了更细微地观察已加工工件表面质量，采用3D扫描轮廓仪和SEM拍摄了已加工工件表面，3D形貌图中颜色越红，表明该区域凸起程度越大，图中的蓝色区域越蓝则表示凹坑越深。由图 5可以看出，在刀具前角为5 °时，3D形貌图中有许多凹坑，对应的SEM图中的凹坑图，刀具前角为15 °时，3D形貌图中凹坑数量减少，SEM图中有一道由于纤维撕裂导致的凹坑，在刀具前角为25 °时，3D形貌图中颜色分布比较均匀，说明已加工工件表面比较平整，SEM图中未观察到大量的凹坑与凸起。因此，随着刀具角度的增大，表面粗糙度Ra值逐渐减小，已加工工件表面质量逐渐提高。

[size=1em]图6为刀具前角5 °、15 °、25 °时，切削深度对切削力的影响趋势图, 图 7为刀具前角25 °时，(a)-(e)分别为切削深度0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm时3D扫描轮廓仪和SEM拍摄的已加工工件表面的3D轮廓图和扫描电镜图。

[size=0.8em]图6 切削深度对表面粗糙度Ra的影响

[size=0.8em]图7 不同切削深度的3D扫描轮廓图和扫描电镜图

[size=1em]由图6中可以看出，在刀具前角为25°、切削深度0.1 mm时，表面粗糙度Ra为2.39 μm，切削深度为1.0 mm时，表面粗糙度Ra为3.33 μm，增大了28.2 %，随着切削深度的增大，表面粗糙度Ra逐渐增大，已加工工件表面质量逐渐变差。由于随着切削深度的增大，单位面积内切屑的去除量增大，切屑与刀具的前刀面摩擦增大，导致切削力增大和加大了机床-刀具-工件之间的震动，导致表面粗糙度增大，加工质量变差。另一方面，随着切削厚度的增大，刀具的后刀面与已加工工件表面之间的摩擦增大，因此表面粗糙度增大，加工质量变差。

[size=1em]由图7可以看出，在切削深度为0.1 mm(a)时，3D形貌图颜色比较均匀，对应的SEM图中的凹坑较少，说明已加工工件表面比较平整；切削深度为0.3 mm(c)时，3D形貌图出现许多小凹坑，SEM图中部分区域显示凹坑；在切削深度为0.7 mm(d)时，3D形貌图中蓝色区域变大表示凹坑变大，加工质量逐渐变差；在切削深度为0.7 mm(d)时，3D形貌图中出现巨大蓝色凹坑，SEM图中观察到巨大的凹坑，加工质量最差。因此，随着切削深度的增大，表面粗糙度Ra逐渐增大，已加工工件表面质量逐渐降低。

2.4 表面粗糙度回归模型的建立与方差分析

[size=1em]根据表4试验结果，为了使数据更加平稳，在数据处理阶段对数据进行了处理，再利用minitab软件对15组刀具前角和切削深度对表面粗糙度Ra的回归数据分析，得出木塑复合材料已加工工件表面的表面粗糙度Ra的回归方程如下：

[size=1em]Ra=e1.74×γ0.17×h0.26×h2×0.06

[size=1em](2)

[size=1em]由表7刀具前角和切削深度对切削力回归模型分析汇总中可知，模型的R-sq值为0.982，R-sq(预测)值为0.966，此模型的决定系数都非常接近1，且变异系数都比较小，因此所得的模型拟合很好。

[size=0.8em]表7 表面粗糙度模型分析

[size=1em]表面粗糙度Ra的方差分析结果如表8所示，模型中，F = 197.46，P = 0 < 0.01,表明该模型非常显著。此外，通过分析各因素对表面粗糙度Ra的影响发现：刀具前角γ、切削深度h和对表面粗糙度Ra的影响非常显著(P < 0.01),它们对切削力主效应顺序依次为：缺少二次项

[size=0.8em]表8 方差分析

3 结论

[size=1em](1)切削深度为0.7 mm，刀具前角γ为5 °、15 °、25 °时，切削力表面粗糙度Ra随着刀具角度的增大而呈现下降趋势。刀具前角为25 °，切削深度h为0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm时，切削力表面粗糙度Ra随着切削深度的增大而逐渐增大。方差分析表明，在0.05显著水平之下，刀具前角和切削深度对切削力和表面粗糙度Ra的作用显著。基于试验数据建立切削力和表面粗糙度Ra建立与刀具前角和切削深度的回归方程分别为：F=e6.89×h0.65×γ-0.32和Ra=e1.74×γ0.17×h0.26×h2×0.06。

[size=1em](2)在回归模型中，通过分析各因素对切削力的影响显著性发现：刀具前角γ和切削深度h对切削力影响非常显著，且切削深度h >刀具前角γ。在分析各因素对表面粗糙度Ra影响显著性发现：刀具前角γ、切削深度h和二次项(h2 )对表面粗糙度Ra的影响非常显著, 且刀具前角γ >切削深度h。

[size=1em](3)从试验数据上看，随着切削深度的增大，切削力逐渐增大，刀具所受到的冲击力逐渐增大，但随着刀具前角的增大，切削力逐渐降低，刀具所受到的冲击力减小。虽然表面粗糙度Ra随着切削深度增大而增大，但刀具前角和切削深度对表面粗糙度Ra的影响程度为刀具前角γ >切削深度h。在所有试验数据中，刀具前角为25 °、切削深度0.5为最优切削参数，此时切削力最小，表面质量最优，但在实际生产过程中，粗加工则可以选择大的切削深度，精加工过程则选择最优切削参数，以保证加工质量和生产效率。

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Experimental Research on Cutting Performance of Wood-plastic Composites by Tool Rake Angel and Depth of Cut

[size=1em]ZHU Meng-nan1, QING Zhen-Hua2, ZHOU Jie1, YANG Pei-qi1, ZHANG Feng3, GUO Xiao-lei1*

[size=1em](1.Collage of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China;2.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 243009, China;3.School of Mechanical Engineering, Wanjiang University of Technology, Maanshan Anhui 243000, China)

[size=1em]Abstract：Wood-plastic composite material is an environmentally friendly material with excellent mechanical properties.But in the secondary processing process of wood-plastic composite material, the processing quality is different due to the difference of cutting parameters.To study the interaction between them, this paper takes polyethylene-based wood-plastic composites as the test material and analyzes them by establishing a linear regression model and variance analysis.The research results show that when the cutting depth is 0.7 mm and the tool rake angle γ is 5°,15°, and 25°, the surface roughness Ra of the cutting force decreases with the increase of the tool angle.When the rake angle of the tool is 25° and the cutting depth h is 0.1 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 0.7 mm，and 1.0 mm, the cutting force surface roughness Ra increases gradually with the increase of the tool angle.Analysis of variance showed that under the 0.05 significant level, tool rake angle and depth of cut had significant effects on cutting force and surface roughness Ra.By analyzing the significance of the influence of various factors on the cutting force, it is found that the tool rake angle γ and the cutting depth h have a very significant influence on the cutting force, and the cutting depth h> the tool rake angle γ.After analyzing the significance of the influence of various factors on the surface roughness Ra, it is found that the tool rake angle γ, the cutting depth h，and the quadratic term(h2)have a very significant influence on the surface roughness Ra, and the tool rake angle γ> the cutting depth h.In the finishing of wood-plastic composites, a larger rake angle and a low depth of cut can produce better surface quality, thereby improving machining efficiency.

[size=1em]Key words：Wood-plastic composite；rake angle；cutting depth；ANOVA；surface roughness

[size=1em]中图分类号：TS642

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2023)01-0065-07

[size=1em]收稿日期：2022-10-19

[size=1em]基金项目：国家自然科学基金“基于热力耦合的WPC高速铣削机屑瘤形成机理及其切削表面损伤控制的研究”(31971594)

[size=1em]第一作者简介：朱梦男，硕士研究生，主要从事木材加工装备与信息化和木工刀具的设计与应用，E-mail：1033797996@qq.com。

[size=1em]*通讯作者：郭晓磊，教授，博士生导师，博士，主要从事智能制造，E-mail：xiaolei.guo@njfu.edu.cn。