木粉配比对木塑复合材料切削性能的影响

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研究与设计

摘 要：为了研究不同木粉配比对木塑复合材料切削性能的影响,避免木塑复合材料加工过程中高能耗和加工质量差的问题,试验采用直齿圆柱铣削方式,以木粉含量、每齿进给量和切削深度为变量,研究不同木粉含量对木塑复合材料铣削的性能影响。在每齿进给量和切削深度相同的情况下,四种不同木粉配比的木塑复合材料切削力大小为:WPC(木粉55%) <WPC(木粉50%) <WPC(木粉40%)<WPC(木粉70%);四种不同木粉配比的木塑复合材料切削温度和表面粗糙度的大小为:WPC(木粉40%) <WPC(木粉50%) <WPC(木粉55%) <WPC(木粉70%)。在木塑复合材料的实际生产过程中,木粉含量较少时,高转速和高切削深度时工件表面质量最佳,可以选用的参数为切削深度1.5 mm和每齿进给量0.5 mm/Z,可以提高加工效率。木粉含量较多时,切削深度0.5 mm时,每齿进给量应在0.3 mm/Z以下才能满足加工质量的要求。

关键词：硬质合金刀具;木塑复合材料;木粉配比;切削参数;表面质量

[size=1em]随着社会的进步与发展,2020年我国进口原木10 757.3万m3,人们对木制品需求量日益增加,然而我国天然林面积仅有5 643万hm2,并且天然林资源日渐减少,因此我们需要高效利用木材资源,使木材资源的利用率最大化。木塑复合材料(Wood-plastic composite,WPC)简称“木塑”,是指由聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)等热塑性塑料和木粉、稻壳和秸秆等生物质纤维材料经熔融混合加工而形成的一种复合材料[1]。将秸秆和甘蔗渣等农林废弃物和废弃木材同热塑性塑料熔融制成的WPC,具有优良力学性能及耐磨损性能,能在一定程度上代替木质材料使用[2, 3],广泛应用于园林景观设计、建筑材料、工业产品和包装领域[4-7]。

[size=1em]不同塑料基和木质纤维含量制成的WPC,其各项性能均不相同。余旺旺等[8]通过对不同塑料基木塑复合材料的性能对比,得到高密度聚乙烯(HDPE)基的木塑复合材料综合性能最佳,最适宜作户外产品。李腊梅[9]、许梦瑶等[10]对木塑复合材料界面改性研究,WPC中的植物纤维为极性材料,而和非极性的塑料之间不容易形成较好的界面融合,致使在加工WPC的时候容易热变形,影响工件表面质量,通过添加界面相容剂进行界面改性得到工艺和性能优异的木塑复合材料。刘如等[11]、段国燕等[12]研究了不同组分的木质纤维木塑复合材料的性能,得出不同组分的木质纤维会导致木塑材料的力学性能、热稳定性和耐光老化性的不同,纤维素能提高木塑材料的力学性能,同时其热稳定性较低,木质纤维含量增多时木塑的硬度增大。不同木粉含量的WPC其力学性能、热稳定性、吸水率、阻燃性、耐久性等都各不相同,通过切削四种不同木粉配比的木塑复合材料的试验,挑选出最佳木粉配比的木塑复合材料,在实际生产加工过程中,更好地取代木质材料应用在日常生活中。

[size=1em]PEI Z等[13]、ZHU Z等[14-15]、Faizh S M[16]都研究切削参数对木塑复合材料的表面质量的影响,切削力过大不仅会影响刀具的磨损并且增大能耗,而且会导致工件表面温度升高使工件表面粗糙度增大。因此,切削力是材料加工中的重要因素,会直接影响能耗、刀具磨损和加工质量。在改变每齿进给量的情况下,切向切削力和径向切削力也会随之变化,导致木塑复合材料的加工面出现不同的切削效果,而每齿进给量对切削力的影响是其重要的方面之一。在刀具高速切削木塑复合材料的过程中,刀具对工件所做的功一部分用于形成切屑,并将切屑带离工件表面,其余部分力用于克服刀具后刀面与加工面的摩擦产生的切削热。在切削工件过程中,切削温度是另一个重要参数,它将直接影响加工工件的精度,由于木塑复合材料中原料PE热稳定性较低,因此对切削温度的研究尤为重要。ZHU[17-18]、郭晓磊等[19-20]研究了切削速度、切削厚度对材料的表面质量和切削性能的影响,得出了高速切削刨花板既提高了加工效率又提高了加工精度和表面质量,但与此同时也加剧了刀具的磨损,切削温度也随着切削深度的增加而增加。董伟航[21]研究了木制家具生产过程中通过BP神经网络检测刀具的磨损状况,通过改变切削参数观察刀具的磨损状况。结果是使用遗传BP神经网络所建立的刀具监测模型的准确度可以达到100%。低切削深度更适应于精加工,以得到更优的表面质量,对工件的预切削可以使用高切削深度以提高加工效率。

[size=1em]笔者通过对不同木塑配比的WPC进行切削试验,研究每齿进给量、切削厚度和不同木粉的配比对WPC切削过程中切向切削力Fx、径向切削力Fy、切削温度以及加工表面粗糙度的影响,分析其影响机理,以期为WPC的优质切削加工利用提供理论依据。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]切削试验采用四种不同木粉配比的木塑复合材料(南京聚新锋新材料有限公司)作为加工试件,其中聚乙烯(PE)和木粉的质量分数比例如表1所示,还含有界面相容剂滑石等添加剂增强其性能。

[size=0.8em]表1 试验材料

[size=1em]试验用刀具牌号为YG8硬质合金单齿柄铣刀,硬度89 HRC,抗弯强度1.47 GPa,刀齿回转直径16 mm,刀具前角2 °,后角43 °,楔角45 °,由乐客(乐客精密工具(太仓)有限公司)提供;在MGK01高速切削加工中心(南兴木工机械有限公司)开展切削试验;同时用9257B石英三向测力仪(瑞士Kistler公司)和红外热成像(Thermo Vision A20,Thermo Finisher Co.Ltd,USA)采集切削力和切削温度的数据。加工试件表面粗糙度由东京精密生产的探针式SURFCOM NEX001SD-12表面粗糙度仪测量配合软件ACCTee (Version5.6.11.0) 测得。测力仪的采样频率为7 162 Hz,采集切削温度数据时,室温26℃(由测温软件所得)。

1.2 试验方案

[size=1em]切削木塑复合材料试验如图1所示,工件(b)装夹在Kistler 9257B测力仪(d)上,经高速加工中心(a)切削工件,通过电荷放大器和计算机构成的切削力数据采集系统,获得径向切削力Fx和切向切削力Fy。红外热成像(e)和计算机组成切削温度采集系统,切削试验环境温度为22℃。粗糙度测量仪(f)采集表面轮廓算术平均偏差Ra。表面轮廓算术平均偏差Ra是评定机械加工表面质量重要的指标。

[size=0.8em]图1 木塑复合材料切削试验流程及设备

[size=1em]影响工件表面质量和刀具磨损的主要因素为切削速度和平均切削厚度,试验以每齿进给量和切削深度为变量,以切削分力和工件表面粗糙度为评价指标。平均切削厚度aav计算公式如下:

[size=1em](1)

[size=1em]式中:U 为进给速度, mm/min; n 为主轴转速,r/min; Z为齿数; h 为切削厚度,mm; D 为刀具切削直径,mm。

[size=1em]本试验采用直齿圆柱铣削方式,影响切削力、切削温度和表面质量的主要因素为每齿进给量、不同木粉配比的木塑复合材料和切削厚度。选取编号分别为1、2、3、4的四种不同木粉配比的木塑复合材料,分别以0.1 mm/Z、0.3 mm/Z和0.5 mm/Z的每齿进给量,以及0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的切削厚度加工工件。具体试验方案见表2。

[size=0.8em]表2 切削试验方案设计

2 结果与分析2.1 切削参数和材料配比对切削力的影响

[size=1em]2.1.1 每齿进给量对切削力的影响

[size=1em]图2为切削WPC(木粉70%)时每齿进给量对切削力的影响,如图所示每齿进给量对切向切削力Fx和径向切削力Fy都有很大的影响。每齿进给量分别为0.1 mm/Z、0.3 mm/Z和0.5 mm/Z。随着每齿进给量从0.1 mm/Z增大到0.5 mm/Z,Fx和Fy都呈现递增趋势。

[size=0.8em]图2 每齿进给量对切削力的影响

[size=1em]分析每齿进给量的增大导致切削力变大的主要原因。由公式(1)知随着每齿进给量的增大,进给速度增大,平均切削厚度增大,刀具在工件上切削时的阻力增大,刀具负载增大导致Fx和Fy增大。从能量守恒的角度分析,切削力增大主要用来克服切削时的阻力,并将切屑带离工件表面,其次用来抵挡切削工件时摩擦所形成的切削热。

[size=1em]2.1.2 切削深度对切削力的影响

[size=1em]切削深度是指切削工件时已加工表面与待加工表面之间的垂直距离,用 h 来表示。一般来说,随着切削深度的增大,加工工件就越困难,同时已加工的工件表面的破坏程度就越大,但另一方面也提高了加工效率。因此在实际生产加工过程中,必须要平衡好加工质量和加工效率之间的关系。因此,研究切削深度与切削力之间的关系尤为重要。

[size=1em]图3是切削WPC(木粉70%)时,三种不同的每齿进给量随着切削深度的增加Fx和Fy变化的示意图。切削深度分别是0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm,可以看出随着切削深度从0.5 mm增加到1.5 mm,Fx和Fy都发生了显著地增大。

[size=0.8em]图3 切削深度对切削力的影响

[size=1em]由公式(1)知,随着切削深度的增加,加工工件时平均切屑厚度也增大,刀具在每个单位时间内的切削量增大,即刀具所受到的阻力也就越大,致使刀具负载增大,导致在加工工件过程中产生切屑并带离切屑所需要的力就越大。

[size=1em]2.1.3 木粉含量对切削力的影响

[size=1em]图4是四种不同木粉配比的木塑复合材料对Fx和Fy的影响,由图可以看出,WPC(木粉50%) <WPC(木粉55%) <WPC(木粉40%) <WPC(木粉70%),Fx和Fy都略减小后逐渐增大。

[size=0.8em]图4 不同木粉配比对切削力的影响

[size=1em]分析原因,切削WPC(木粉50%) 和 WPC(木粉55%) 时,由于木粉和塑料是两种完全不同的材料,木粉中含有大量的极性基因,而塑料的表面却是非极性的,所以两者之间的相容性较差,因为木粉含量大于PE含量致使WPC(木粉50%)的强度略低于WPC(木粉55%),即在切削加工时,WPC(木粉55%)的Fx和Fy略大于WPC(木粉50%)的Fx和Fy。切削WPC(木粉40%)时,由于塑料的含量大于木粉的含量,在切削WPC(木粉40%)工件时,刀具在高速切削工件,使工件表面产生大量的热,导致刀具出现粘刀现象,即切削WPC(木粉40%)工件时的Fx和Fy大于WPC(木粉50%)工件的Fx和Fy。

[size=1em]图5是WPC(木粉50%)和WPC(木粉70%)在0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm切削深度时Fx和Fy变化图。由图可以看出,随着切削深度的增大,Fx和Fy都明显增大,但木粉含量高的WPC的Fx和Fy变化比木粉含量低的WPC的Fx和Fy大。

[size=0.8em]图5 WPC(木粉50%)和WPC(木粉70%)对切削力的影响

[size=1em]由于木粉的含量大于PE的含量,木粉的硬度较大,因此在加工工件过程中所受到的切削阻力就越大,因此在切削过程中4号材料的切削力大于1号材料的切削力。

2.2 切削参数和材料配比对切削温度的影响

[size=1em]2.2.1 每齿进给量对切削温度的影响

[size=1em]图6是切削WPC(木粉70%)的三种不同切削深度随着每齿进给量增大对切削温度的影响,从图中可以看出,随着每齿进给量的增加,切削过程中的最高温度逐渐降低。随着每齿进给量的增大,切削速度减小,即在单位时间内铣刀切削工件的切屑增多,因此切屑带走了大量的热,故切削温度逐渐降低。

[size=0.8em]图6 每齿进给量对切削温度的影响

[size=1em]2.2.2 切削深度对切削温度的影响

[size=1em]图7是切削WPC(木粉70%)时切削温度随着切削深度变化的影响关系图,从图中可以看出,随着切削深度的增大,切削工件过程中的切削温度也逐渐升高。随着切削深度从0.5 mm增加到1.5 mm,切削温度从58.03 ℃升高至64.67 ℃。

[size=0.8em]图7 切削深度对切削温度的影响

[size=1em]分析原因,由公式(1)知,切削深度 h 增大会导致切削过程中平均切削厚度aαv增大。切削厚度的增大意味着铣刀的切削量增加,刀具在切削过程中受到来自工件的冲击增大,切削过程中铣刀的后刀面与已加工工件表面产生的摩擦也随之增大,导致摩擦生热增多,使得切削温度升高。与此同时,切削温度升高还有另一个原因,在切削过程中,刀具与工件产生剧烈摩擦,摩擦产生的热量一部分由刀尖传导到刀体,使得刀具温度升高,另一部分聚集在切屑中,剩余的在空气中散失。增大切削深度,使得铣刀需要从工件上切削并带走的切屑量增加,大量的切屑可以吸收更多的热量,使得切削温度升高。此外,产生切屑数量增多而相互交织,甚至不能够从切割材料处飞射出去,导致在切削过程中排屑困难,影响热量散失,这也会使得切削温度升高。

[size=1em]2.2.3 木粉含量对切削温度的影响

[size=1em]如图8所示,在相同的每齿进给量和切削深度,随着木粉含量的增多,切削温度逐渐增大。由上文知,随着木粉含量的增多,切削力逐渐增大,即刀具与工件间的摩擦力逐渐增大,摩擦产生大量的热量,部分由切屑和刀具带离工件表面,其余的残留在工件表面。

[size=0.8em]图8 不同木粉配比对切削温度的影响

[size=1em]图9为WPC(木粉50%)和WPC(木粉70%)对切削温度的影响,由图可知,随着切削深度的增加木粉含量高的WPC的切削温度始终高于木粉含量低的WPC。

[size=0.8em]图9 WPC(木粉50%)和WPC(木粉70%)对切削温度的影响

[size=1em]由上文知,随着切削深度的增大,平均切削厚度aαv增大切屑量增加,即刀具切削工件时受到的冲击力增大,进而增大了刀具后刀面与工件间的摩擦,产生了大量的切削热,故而切削温度增大。由于木粉含量高的WPC硬度大于木粉含量低的WPC,即在切削工件时所受到的阻力更大,同时刀具后刀面与工件间的摩擦也增大,因此木粉含量高的WPC的切削温度始终高于木粉含量低的WPC。

2.3 切削参数和材料配比对表面粗糙度的影响

[size=1em]2.3.1 切削深度对表面粗糙度的影响

[size=1em]切削WPC(木粉70%)时,切削深度与表面粗糙度之间的变化如图10所示,工件表面粗糙度Ra随着切削深度的增加而增大,即随着切削深度的增加,加工工件表面质量变差。

[size=0.8em]图10 切削深度与表面粗糙度的关系

[size=1em]由上文知,切削深度的增加会导致平均切屑厚度变大,刀具切削工件并从工件上带走的切屑量增加,致使刀具在切削过程中的负载增大,机床-刀具-工件之间形成的加工系统产生的振动增大,使得切削过程不稳定,因此工件表面质量变差,加工表面更加粗糙,即表面粗糙度Ra增大。

[size=1em]2.3.2 主轴转速对表面粗糙的影响

[size=1em]切削WPC(木粉70%)时,主轴转速对表面粗糙度的变化关系如图11所示,随着主轴转速从4 000 r/min依次增加到7 000 r/min和10 000 r/min,已加工的表面粗糙度值(Ra值)从3.4 μm依次减小为2.27 μm和2.01 μm,因此,随着主轴转速的增加,木塑复合材料表面粗糙度逐渐减小。

[size=0.8em]图11 每齿进给量与表面粗糙度的关系

[size=1em]在其它条件不变的情况下,切削工件时,随着主轴转速的增加平均切屑厚度减小,刀具受到来自工件的负载减轻,刀具振动幅度减小,切削过程更加稳定,使得工件加工质量变好,表面粗糙降低。

[size=1em]2.3.3 木粉含量对表面粗糙度的影响

[size=1em]切削不同木粉配比的WPC在相同切削深度和进给速度对表面粗糙度的影响如图12所示,由图知,随着木粉含量的增多,其工件表面粗糙度逐渐增大,即工件表面质量逐渐变差。由于木粉含量的增多,WPC的硬度增大且抗冲击性变差,在机床高速切削的过程中,刀具与工件之间产生加大的冲击,致使机床-刀具-工件之间形成的加工系统震动增大,导致切削过程不稳定,所以工件表面粗糙度增大,表面质量变差。

[size=0.8em]图12 不同木粉配比对表面粗糙度的影响

[size=1em]WPC(木粉50%)和WPC(木粉70%)在不同切削深度时对表面粗糙的影响如图13所示,工件表面粗糙度Ra随着切削深度的增加而增大,即随着切削深度的增加,加工工件表面质量变差。但是WPC(木粉50%)表面粗糙度低于WPC(木粉70%)。

[size=0.8em]图13 WPC(木粉50%)和WPC(木粉70%)对表面粗糙度的影响

[size=1em]由上文知,随着切削深度的增大,WPC的表面粗糙逐渐增大,即表面质量变差,随着木粉含量的增加,木粉聚集的效果更加明显,木粉与PE界面更加清晰,当工件受到冲击时,在界面处易形成应力集中点,所以抗冲击强度差。即导致工件表面质量低于木粉含量较少的WPC[22]。

3 结 论

[size=1em]本试验采用直齿圆柱铣削方式,探究了每齿进给量和切削深度对四种不同木粉配比的WPC的切削力、切削温度和表面质量的影响,揭示不同木粉配比的WPC的影响机制,得出以下结论:

[size=1em](1)在相同的每齿进给量和切削深度情况下四种不同木塑配比的木塑复合材料的切向切削力Fx和径向切削力Fy大小为:WPC(木粉50%) <WPC(木粉55%) <WPC(木粉40%)< WPC(木粉70%)。

[size=1em](2)在相同的每齿进给量和切削深度情况下四种不同木粉配比的木塑复合材料的切削温度的高低为:WPC(木粉40%) <WPC(木粉50%) <WPC(木粉55%) <WPC(木粉70%) 。

[size=1em](3)在相同的每齿进给量和切削深度情况下四种不同木粉配比的木塑复合材料表面粗糙度的大小为:WPC(木粉40%) <WPC(木粉50%) <WPC(木粉55%)< WPC(木粉70%)。

[size=1em](4)在相同要求的表面粗糙度的前提下,WPC(木粉50%)的表面质量优于另外三种木粉配比的WPC,在高转速和低切削量的情况下,切削力低即能耗小,更易获得表面质量好的WPC,同时也提高了加工效率。

4 讨 论

[size=1em]本研究使用的是单齿硬质合金铣刀铣削木塑复合材料,虽然刀具成本较低,但并没考虑双齿和多齿铣刀的加工质量。另一方面,本文只考虑了木粉的含量对切削加工性能的影响,没有考虑PVC基和PP基的WPC铣削性能,存在一定的局限性。在以后的研究中,会把不同材质刀具切削不同塑料基的WPC的铣削性能,以提高WPC的加工质量和减小能耗,为WPC的实际加工提供理论依据和技术指导。

[size=1em]参考文献：

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Study on cutting performance of wood - plastic composite with different wood powder ratio

[size=1em]ZHU Meng-nan1, SUN Cheng-gang2, GUO Yong3, ZHANG Feng4, YANG Pei-qi1, GUO Xiao-lei1*

[size=1em](1.Collage of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China;2.Zhejiang Gimig Technology Co.,Lid.,Huzhou Zhejiang 315000,China;3．Anhui Agricultural University, Hefei Anhui 230036, China;4．Wanjiang Institute of Technology, Ma'anshan Anhui 243031, China)

[size=1em]Abstract：In order to study the influence of different wood powder ratios on the cutting performance of WPC, the problems of high energy consumption and poor processing quality in WPC processing were avoided. The test adopts the straight-tooth cylindrical milling method and uses the wood powder ratio, the feed per tooth , and the cutting depth as variables, and studies the milling performance of wood-plastic composites under different wood powder ratio. In the case of the same feed per tooth and cutting depth, the cutting force of WPC(wood powder 55%) <WPC (wood powder50%) <WPC(wood 40%)< WPC (wood70%). The cutting temperatures and the surface roughness of WPC(wood powder 40%) <WPC(wood powder 50%) <WPC(wood powder 55%) <WPC(wood powder 70%) with four different wood powder ratios. The surface roughness increases with increasing cutting depth and decreases with increasing spindle speed. In the actual production process of wood plastic composite, the workpiece surface quality is the best at high rotation speed and high cutting depth when the wood powder content is small. The parameters can be selected as cutting depth of 1.5 mm and feed per tooth of 0.5 mm /Z, and the machining efficiency is improved. When the wood powder content is large and the cutting depth is 0.5 mm, the feed per tooth should be below 0.3 mm /Z to ensure the machining quality.

[size=1em]Key words：cemented carbide tool ; wood-plastic composite; the ratio of wood powder; milling parameters; surface quality

[size=1em]中图分类号：TS643

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2023)06-0027-09

[size=1em]收稿日期：2023-03-01

[size=1em]基金项目：国家自然科学基金项目 (31971594)

[size=1em]第一作者简介：朱梦男,硕士研究生,研究方向为木材加工装备与信息化,E-mail:1033797996@qq.com。

[size=1em]*通讯作者：郭晓磊,教授,博士,研究方向为木工刀具设计与智能制造,E-mail:xiaolei.guo@njfu.edu.cn。