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榉木螺旋铣削性能研究 [size=1em]曹奇涛1，唐其2，管军2，崔正峰2，朱兆龙3* [size=1em](1. 南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2. 梦天家居集团股份有限公司，嘉兴 314199；3. 南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037) [size=1em]摘 要：榉木是一种家具常用木材，铣削过程中经常出现切削平面以下木材破坏的情况，但有关榉木螺旋铣削方面的研究鲜有报道。为了改善榉木铣削表面质量，采用正交试验设计，使用压电晶体测力仪、粗糙度测量仪及计算机控制的加工中心，研究了榉木螺旋铣削性能，分析螺旋角、切削速度、铣削深度对榉木切削力与表面质量的影响。试验结果表明：当螺旋角或切削速度增大时，切削力减小，当铣削深度增大时，切削力增大；当螺旋角或切削速度增大时，表面粗糙度减小，当铣削深度增大时，表面粗糙度增大。在本试验参数范围内，以最小切削力和表面粗糙度为改良目标，在工件长160 mm、宽80 mm、厚4 mm、进给速度5 m/s的条件下，明确了榉木螺旋铣削的优化参数为螺旋角(β)70°、切削速度(v)55 m/s，铣削深度(h)0.5 mm，该参数下的切削力Fa、Ft、Fr分别为9.21，6.44 和12.36 N，表面粗糙度为1.122 μm。 [size=1em]关键词：榉木；螺旋铣削；切削力；表面粗糙度 [size=1em]榉树(Zelkova schneideriana)木材是优良的硬木家具用材，在我国用于制作家具的历史比黄花梨等红木更长。在明清红木家具未出现之前，榉木是江南地区最主要的家具用材，其木材纹理清晰、质地均匀、色调柔和，常用于家具、木门、地板与工艺品的制作[1-3]。 [size=1em]为了满足家具零部件的尺寸及用料要求，铣削是应用最为广泛的加工方式之一，可用于平面加工、表面成形、榫槽铣削等[4]。在切削加工过程中，切削力[5-8]和表面质量[9]是木材切削性能的重要评价指标。与传统的直齿铣削相比，螺旋铣削性能更为突出，其切削过程更加稳定，切削质量更优，被广泛用于难加工材料的成型加工中。Moradpour等[10]通过榉木锯切试验，分析了切削方式和工件性能对切削力的影响，研究结果表明切削方向和含水率对切削力有显著的影响。张占宽等[11]通过木材锯切试验，分析了锯齿前角、切削速度和厚度等参数对榉木切削力的影响，研究结果表明提高转速、降低每齿进给量可有效减小木材切削阻力。通过总结相关研究报道，刀具材料[12-13]、机床[14]、切削参数[15-16]等都是影响木材切削力和表面质量变化的主要因素。然而，关于榉木螺旋铣削性能鲜有报道，榉木作为家具常用木材，研究其切削性能对榉木的加工利用具有重大意义。 [size=0.8em]图1 试验材料与设备
Fig. 1 Test material and equipment
[size=1em]笔者以提高榉木切削性能为总目标，通过榉木螺旋铣削试验，研究刀具螺旋角、切削速度、铣削深度对榉木切削力和质量的影响，优化榉木螺旋铣削的切削参数，以期为榉木制品的加工提供一定的理论依据。 1 材料与方法1.1 试验材料[size=1em]欧洲进口红榉木径切板(图1a)，工件长度160 mm、宽度80 mm、厚度4 mm，密度约为0.76 g/cm3。家具板材的含水率范围一般为8%～12%，因此,本试验选用含水率为11%的榉木板材。 1.2 试验设备[size=1em]试验所用刀具为聚晶金刚石(polycrystalline diamond，PCD)螺旋铣刀，如图1b所示。刀具齿数6个、直径 140 mm、维氏硬度8 000、热膨胀系数1.18×10-6 K-1、热导率560 W/(m·K)。刀具的角度参数如表1所示。 [size=0.8em]表1 螺旋铣刀的刀具角度
Table 1 Tool angles of helical milling cutter 单位  °)
[size=1em]加工设备使用高速木材复合加工中心(MGK01，图1c)，采用压电晶体测力仪(KISTLER 9257B，图1d)测量切削力，采用粗糙度测量仪(S-NEX001SD-12，图1e)测量表面粗糙度，采用显微镜(ZW-H1600，图1f)观察表面形貌和切屑形态。 1.3 试验方法[size=1em]采用PCD螺旋铣刀铣削工件，进给方向平行于木材纤维方向，其中进给速度恒定为5 m/min，铣削端面厚度为4 mm。采用正交设计试验，影响因素为螺旋角β、切削速度v、铣削深度h，依据实际生产加工的情况制定试验参数和L9(33)试验表，如表2所示。采用SPSS软件进行方差分析。 [size=0.8em]表2 螺旋铣削正交试验表
Table 2 The orthogonal test table of helical milling
1.4 性能测试[size=1em]1)使用压电晶体测力仪测量出x、y、z方向上的力Fx、Fy、Fz，每组测量5次，最终数据取平均值，再通过式(1)换算成Ft和Fr。
[size=1em](1) [size=1em]式中：Fx是与进给速度方向平行的切削分力；Fy是与进给速度方向垂直的切削分力；Fz(Fa)是平行于刀具主轴方向的切削分力；Ft是垂直于半径方向的切削力分量；Fr是平行于半径方向的切削力分量；θ为旋转方向与进给方向的夹角。 [size=1em]2)测定表面粗糙度Ra：将工件固定在粗糙度测量仪的工作台上，粗糙度测量仪的金刚石探针沿刀具进给方向(木材纤维方向)检测已加工表面，测量点位为已加工表面中部的3段，各段的取样长度均为1 cm。每组测量5次，最终数据取平均值。 2 结果与分析2.1 切削力[size=1em]在极差分析中，极差值R越大，说明此因素对试验结果的影响越大。切削力Fa、Ft、Fr试验数据的极差分析结果如表3所示。对于切削力 Fa而言，Rβ为25.33，Rv为5.07，Rh为4.98，说明螺旋角对切削力Fa影响最大，切削速度次之，铣削深度影响最小。对于切削力Ft而言，Rβ为12.20，Rv为3.86，Rh为4.02，表明螺旋角对切削力Ft影响最大，铣削深度次之，切削速度影响最小。对于切削力 Fr而言，Rβ为23.88，Rv为2.25，Rh为2.73，表明螺旋角对切削力Fr影响最大，铣削深度次之，切削速度影响最小。此外，在切削过程中，切削力的大小直接影响到机床能耗及刀具磨损。以最小切削力为优化目标，可得最优切削参数组合为β3v3h1，即切削参数为70°螺旋角、55 m/s切削速度及0.5 mm铣削深度。 [size=0.8em]表3 切削力的极差分析结果
Table 3 Range analysis results of the cutting forces
[size=1em]采用方差分析各因子对试验结果的影响显著性，置信水平为95%，若显著性数值小于0.05，说明该因素对试验结果影响显著，否则影响不显著。为减少试验误差，提高结果的精确性，每组试验选取3组数据，共27组数据，分析单因素与交互作用影响的显著性。切削力方差分析结果如表4所示。切削力Fa中螺旋角、切削速度、铣削深度的显著性数值分别为0.000，0.144和0.071，说明螺旋角对切削力Fa影响显著，切削速度与铣削深度影响不显著；螺旋角×切削速度、螺旋角×铣削深度、切削速度×铣削深度的显著性数值均为0.000，说明其交互作用对切削力Fa均影响显著。切削力Ft中螺旋角、切削速度、铣削深度的显著性数值分别为0.000，0.013和0.424，表明螺旋角和切削速度对切削力Ft影响显著，铣削深度影响不显著；螺旋角×切削速度、螺旋角×铣削深度、切削速度×铣削深度的显著性数值分别为0.374，0.029和0.000，说明螺旋角×铣削深度、切削速度×铣削深度的交互作用对Ft影响显著，螺旋角×切削速度的交互作用影响不显著。切削力Fr中螺旋角、切削速度、铣削深度的显著性数值分别为0.000，0.268和0.217，表明螺旋角对切削力Fr影响显著，切削速度和铣削深度影响不显著；螺旋角×切削速度、螺旋角×铣削深度、切削速度×铣削深度的显著性数值分别为0.265，0.305 和0.000，说明切削速度×铣削深度的交互作用影响显著，螺旋角×切削速度、螺旋角×铣削深度的交互作用影响不显著。 [size=0.8em]表4 切削力方差分析结果
Table 4 Variance analysis results of the cutting forces
[size=0.8em]图2 各因素对切削力的影响
Fig. 2 Influence of various factors on cutting force
[size=1em]在铣削过程中，切削力的变化主要受切削阻力的影响。切削力Fa、Ft、Fr随切削参数的变化趋势见图2。从图2中可以发现，当螺旋角增大时，切削力均呈减小趋势，降低幅度较大。直齿铣削的切削刃是同时切入和切出工件的，螺旋铣削由于切削刃与轴线方向存在倾角(螺旋角)，切削刃是先后切入和切出工件的[17-18]。不同螺旋角的铣削示意图见图3，当螺旋角增大时，刀刃与榉木纤维方向的夹角减小，刀具更容易切入与切出榉木，刀刃受到的切削阻力减小，切削力随之降低。此外，依据切屑形态：当螺旋角为54°时，切屑散乱分布，其断裂长度较短，在切削过程中切屑形成不连续，容易断开，所以切削中所受的阻力较大；当螺旋角为62°时，多个切屑之间接合在一起，切屑的长度和宽度较大，切屑形成比较连续，切削过程受到的阻力较小；当螺旋角为70°时，切屑为螺旋状，切屑卷曲，尺寸较大，说明切屑的形成过程连续，切削阻力小。因此，切削力随着螺旋角的增大呈减小趋势。 [size=0.8em]图3 不同螺旋角的切削示意图和切屑形态
Fig. 3 Cutting diagram and chip shape with different helix angles
[size=1em]此外，从图2还可以发现，随着切削速度的增大或铣削深度的减小，切削力亦呈减小趋势。切削阻力的大小主要取决于单位时间内的材料去除量。不同切削参数下的切削量示意图如图4所示：随着切削速度的增大，每齿进给量(fz)和平均切屑厚度(aav)减小，使得切削刃单位时间内的切屑去除量减小，所以切削刃受到的阻力减小；而随着铣削深度的减小，平均切屑厚度亦减小，降低了切削刃受到的切削阻力，所以切削力与切削速度呈负相关，与铣削深度呈正相关。 [size=0.8em]图4 不同切削参数下的切削量示意图
Fig. 4 Schematic diagram of cutting quantity under different cutting parameters
2.2 切削质量[size=1em]表面粗糙度的极差分析结果如表5所示。由表5可知，Rh>Rβ>Rv，说明对表面粗糙度Ra影响最大的因素为铣削深度，螺旋角次之，切削速度影响最小。表面粗糙度是评价产品表面质量的重要指标，以最小表面粗糙度Ra值为优化指标，得到最优切削参数组合为β3v3h1，即切削参数为70°螺旋角、55 m/s切削速度及0.5 mm铣削深度。 [size=0.8em]表5 表面粗糙度的极差分析结果
Table 5 Range analysis results of the surface roughness
[size=1em]每组试验测量3段表面粗糙度，共27组数据，各切削参数对表面粗糙度Ra的方差分析结果如表6所示。螺旋角、切削速度、铣削深度的显著性数值分别为0.010，0.024和0.012，均小于0.05，说明螺旋角、切削速度、铣削深度对表面粗糙度Ra均影响显著，螺旋角×切削速度、螺旋角×铣削深度、切削速度×铣削深度的显著性数值分别为0.009，0.016 和0.008，均小于0.05，说明其交互作用对表面粗糙度Ra也都影响显著。 [size=0.8em]表6 表面粗糙度方差分析结果
Table 6 Variance analysis results of the surface roughness
[size=0.8em]图5 各因素对表面粗糙度的影响
Fig. 5 The influence of various factors on surface roughness
[size=1em]各因素对表面粗糙度的影响趋势如图5所示。当螺旋角或切削速度增大时，表面粗糙度Ra呈减小趋势。随着刀具螺旋角的增大，切削刃更容易切入和切出榉木，切屑易于分离，整个切削过程的稳定性更高，所以榉木表面铣削质量变优。当切削速度增大或铣削深度减小时，表面粗糙度Ra呈减小趋势。这主要是因为单位时间内的切削量减小，切削阻力减小，切削稳定性提升，使得榉木表面铣削质量变优。此外，已加工表面形貌能直观地反映切削质量。榉木在不同铣削参数下的已加工表面形貌见图6，与常见木材相比，榉木的密度较大，切削阻力较大，其切削稳定性较差，因此，榉木切削表面的损伤更为严重。从图6中可以发现：在54°螺旋角、35 m/s切削速度和1.0 mm铣削深度条件下切削时有多处崩边(图6a)；在54°螺旋角、45 m/s切削速度和0.5 mm铣削深度条件下切削时，榉木下侧有崩边和局部断裂(图6b)；在54°螺旋角、55 m/s 切削速度和1.5 mm切削深度条件下切削时，表面有大面积的崩边和毛刺，表面损伤最为严重，切削质量最差(图6c)；在62°螺旋角、35 m/s 切削速度和0.5 mm铣削深度条件下切削时，已加工表面发现少量崩边，分布着几处毛刺(图6d)；在62°螺旋角、45 m/s切削速度和1.5 mm铣削深度条件下切削时，下侧有崩边，表面较光滑(图6e)；在62°螺旋角、55 m/s切削速度和1.0 mm铣削深度条件下切削时发现几处崩边(图6f)；在70°螺旋角、35 m/s切削速度和1.5 mm铣削深度条件下切削时有轻微崩边，表面较光滑(图6g)；在70°螺旋角、45 m/s切削速度和1.0 mm铣削深度条件下切削时，未发现毛刺和崩边，质量良好(图6h)；在70°螺旋角、55 m/s切削速度和0.5 mm切削深度条件下切削时，已加工表面未见明显损伤，表面质量优良(图6i)。综上所述，榉木已加工表面损伤形式主要为崩边和毛刺。 [size=0.8em]注：a～i对应表5中1～9的情况。
图6 不同切削参数下已加工表面形貌
Fig. 6 Surface topography at different cutting conditions
2.3 切削参数的优化与验证[size=1em]依据上述有关切削力和表面粗糙度Ra的研究结果，以最小切削力和表面粗糙度为优化目标，最优参数组合为β3v3h1，即β=70°、v=55 m/s、h=0.5 mm。该优化组合存在于上述试验表中，无须重复验证，其切削力Fa、Ft、Fr分别为9.21，6.44 和12.36 N，在9组试验中最小，其表面粗糙度Ra为1.122 μm，亦在9组试验中最小。因此，综合考虑切削能耗及表面质量，在本试验范围内，榉木螺旋铣削最优切削参数为螺旋角(β)70°、切削速度(v)55 m/s、铣削深度(h)0.5 mm。 3 结 论[size=1em]采用正交试验研究了螺旋角、切削速度、铣削深度对榉木切削力和表面质量的影响，得出以下结论： [size=1em]1)在本试验范围内,切削力随着铣削深度的增大而增大，随着螺旋角或切削速度的增大而减小；当螺旋角和切削速度增大时，表面粗糙度Ra减小，当铣削深度增大时，表面粗糙度Ra增大。 [size=1em]2)极差分析结果表明,螺旋角对切削力Fa和Fr影响最大，切削速度影响最小；而切削力Ft的最大影响因素为螺旋角，切削速度影响最小；表面粗糙度Ra的最大影响因素为铣削深度，切削速度影响最小。方差分析结果显示：螺旋角对切削力影响显著，铣削深度对表面粗糙度Ra影响显著。 [size=1em]3)根据已加工表面损伤形貌分析，榉木螺旋铣削表面损伤形式主要为崩边和毛刺。 [size=1em]4)在本试验范围内，以最小切削力和表面粗糙度为优化指标，榉木最优铣削参数为螺旋角(β)70°、切削速度(v)55 m/s、铣削深度(h)0.5 mm。 [size=1em]参考文献（References）： [size=1em][1] 卜军. 榉木的生长和材性研究[D]. 长沙: 中南林业科技大学, 2013. [size=1em]BU J. Research on the growth and wood properties of beech[D]. Changsha: Central South University of Forestry & Technology, 2013. [size=1em][2] 李雪涛. 榉木板材的环氧-聚酯粉末涂饰方法与涂层特性研究[D]. 杭州: 浙江农林大学, 2015. [size=1em]LI X T. Epoxy-polyester powder coating method and coating properties of beech wood panels[D]. Hangzhou: Zhejiang A&F University, 2015. [size=1em][3] 梁瑞龙. 榉木: “没落的贵族”[J]. 广西林业, 2014(6): 25-26. [size=1em]LIANG R L. Beech:“declining nobility”[J]. Forestry of Guangxi, 2014(6): 25-26. [size=1em][4] YUN H J, JIAN M G, QIN J Z, et al. Experiment analysis research on electrical discharge machining polycrystalline diamond tool[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,2020,782(2): 022082. [size=1em][5] CAO P X, ZHU Z L. Spiral milling performance of wood fiber reinforced magnesium oxide composite[J]. Materials Express,2021,11(4): 564-569. DOI:10.1166/mex.2021.1930. [size=1em][6] TANSEL N, ARKAN T T, BAO W Y, et al. Tool wear estimation in micro-machining. Part I: tool usage-cutting force relationship[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2000, 40(4): 599-608. DOI:10.1016/S0890-6955(99)00073-5. [size=1em][7] MATSUMURA T, USUI E. Predictive cutting force model in complex-shaped end milling based on minimum cutting energy[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2010, 50(5): 458-466. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2010.01.008. [size=1em][8] LIU C Y. Cutting force model for heat assisted titanium alloy milling[J]. Advanced Materials Research, 2014, 887/888: 1191-1194. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.887-888.1191. [size=1em][9] 青龙, 邢东, 王喜明, 等. 木材切削表面粗糙度研究进展及测定方法探讨[J]. 林产工业, 2021, 58(2): 27-30. DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202102006. [size=1em]QING L, XING D, WANG X M, et al. Discussion and research progress about determination method of wood cutting surface roughness[J]. China Forest Products Industry, 2021, 58(2): 27-30. [size=1em][10] MORADPOUR P, DOOSTHOSEINI K, SCHOLZ F, et al. Cutting forces in bandsaw processing of oak and beech wood as affected by wood moisture content and cutting directions[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2013, 71(6): 747-754. 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Research on the helical milling performance of beech wood[size=1em]CAO Qitao1, TANG Qi2, GUAN Jun2, CUI Zhengfeng2, ZHU Zhaolong3* [size=1em](1. College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Mengtian Home Group Co. Ltd., Jiaxing 314199, China; 3. College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China) [size=1em]Abstract：Beech wood is widely used for furniture in terms of its outstanding properties, such as great hardness, fine-textured, wear-resistant, and shiny. During the machining of beech wood, the damage of wood below the cutting plane often occurs, however, there have been limited reports focusing on beech wood spiral milling. In order to improve the milling performance of beech wood, the orthogonal design was adopted, three kinds of polycrystalline diamond helical milling cutters with helical angles of 54°, 62° and 70° were selected for milling experiments. The piezoelectric force dynamometer, roughness measuring instrument, and computer-controlled machining center were used for the measurements of cutting forces and surface roughness. In this work, the helical milling performance of beech wood was studied, and special attention was given to the effects of helix angle, cutting speed, and milling depth on the cutting force and surface roughness of beech wood. The range test results showed that the helix angle had the greatest influence on the cutting forces Ft and Fr, followed by the milling depth and cutting speed; while the helix angle had the greatest influence on the cutting force Fa, followed by cutting speed, and milling depth; the milling depth had the greatest influence on the surface roughness Ra, followed with helical angle and cutting speed. Furthermore, the results of variance analysis showed that the helix angle had a significant effect on the cutting force Fa, but the cutting speed and the milling depth had insignificant effects; the helix angle and cutting speed had significant effects on the cutting force Ft, but the milling depth had an insignificant effect; the helix angle had a significant effect on the cutting force Fr, and the cutting speed and milling depth had insignificant effects. The test results of cutting force showed that the cutting force was negatively correlated with the helix angle and cutting speed, and positively correlated with the milling depth. Surface quality was improved with the increase of helix angle and cutting speed and deteriorated with the increase of milling depth. Taking the minimum cutting force and surface roughness as the optimization goals, under the conditions of the workpiece length of 160 mm, width of 80 mm, thickness of 4 mm, and feed rate of 5 m/s, the optimized cutting parameters for helical milling of beech wood were determined as the helix angle of 70°, the cutting speed of 55 m/s, and the milling depth of 0.5 mm. The cutting forces Fa, Ft and Fr under these parameters were 9.21, 6.44 and 12.36 N, respectively, and the surface roughness was 1.122 μm. [size=1em]Keywords：beech wood; helical milling; cutting force; surface roughness
DOI：10.13360/j.issn.2096-1359.202205035 收稿日期：2022-05-28 修回日期：2022-07-25 基金项目：国家自然科学基金(31971594)；江苏省高等学校自然科学研究项目(21KJB220009)。 作者简介：曹奇涛，男，研究方向为木材加工装备与控制工程。 中图分类号：S784 文献标志码：A 文章编号：2096-1359(2023)02-0068-07
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发表于 2023-5-27 07:58:01
