硬质合金刀具铣削GFRP材料加工特性的研究

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硬质合金刀具铣削GFRP材料加工特性的研究

宋宇翔1, 袁向东2, 林雨斌2, 伍占文1, 贾 翀1, 丁建文1*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院,江苏 南京 210037;2.乐客精密工具(太仓)有限公司,江苏 苏州 215400)

摘 要：为了获得硬质合金刀具加工玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的理想铣削参数,为实际生产提供参考,使用硬质合金柄铣刀对GFRP进行开料铣削加工,以进给速度及主轴转速为铣削因素,以铣削力、铣削温度、表面粗糙度及表面损伤形貌为评价指标,对硬质合金铣刀开料铣削加工GFRP材料的加工特性进行探究。结果表明,随着进给速度的增加,铣削力F(x)与F(y)均呈上升趋势,铣削温度呈下降趋势,表面粗糙度随着温度的下降也呈下降趋势;随着刀具转速的增加,铣削力F(x)与F(y)呈先下降后上升的趋势,并在14 000 r/min时达到谷值。同时,GFRP开料加工时顺铣端的表面损伤程度要低于逆铣端,即顺铣可以得到更好的表面质量。因此,在选择GFRP材料的开料加工参数时,应根据刀具参数,在计算出合适的每齿进给量的基础上,尽可能选用较大的进给速度与主轴转速,从而提高加工效率,并在一定程度上减小刀具磨损,提高表面质量,降低成本。

关键词：硬质合金刀具;玻璃纤维增强复合材料(GFRP);开料;加工特性

[size=1em]随着科学技术发展与时代的进步,我国工业快速发展,各行各业对于材料的要求越来越高,在很多领域新型材料逐渐取代大部分传统材料,复合材料的发展也愈发迅速,并开始被广泛应用于交通、航空航天、建筑、风力发电以及休闲等领域[1,2]。根据增强材料种类的不同,又可分为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料以及芳纶纤维增强复合材料等,其中玻璃纤维增强复合材料(GFRP)是指由二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化钙等组成的玻璃纤维材料与环氧树脂融合后热压成型的一种复合材料。<p]

[size=1em]GFRP相较于其他传统材料有更加优异的性能,主要有质量轻、电绝缘性好、热均匀性佳、使用寿命长、高强度、高模量、隔热性好、阻燃性强等优点。另外值得一提的是,玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成的,所以它可有效解决玻璃废弃物的污染及回收处理问题,在一定意义上保护了自然环境,提高了玻璃制品的附加价值。因此,玻璃纤维材料现在已经被广泛应用且愈受重视,发展前景广阔[3-7]。

[size=1em]玻璃纤维增强复合材料一般为一次性整体成型,不需再进行机械加工,但因装配与精度的需要,在实际生产中,需要对其进行一定的加工。相对于金属材料而言,复合材料的加工要更加困难。GFRP中分布有纤维,其为各向异性、非均质性的材料[8,9],在加工过程中难免会出现纤维破坏、撕裂的现象,这样的加工缺陷往往会使得材料在装配及实际使用中产生不适,所以对GFRP的加工特性进行研究,对其制造环节的发展有较大的意义。

[size=1em]在对复合材料进行机械加工中,切削是较为重要的二次加工方式,常用的切削方式有铣削[10]、锯切、钻削[11]、车削等,而在GFRP加工中,对钻削与车削的研究较多,与铣削相关的研究并不多见,本文主要是对GFRP进行铣削加工,铣削加工是指刀具沿预定工件表面铣削玻璃纤维材料,获得要求的尺寸、形状及粗糙度的过程。铣削加工中,刀具与工件的相对运动,会产生较大切削力,较高切削温度,不同的表面粗糙度,以及不同的加工质量。它们取决于铣削参数(进给速度、切削深度、刀具转速)与刀具参数(前后角、切削刃数量及分布)的变化,这些切削性能指标都能直接或间接地对产品质量、生产效率、生产成本及能耗产生较大的影响[12-15]。而通过试验及数据分析得出的结论,能够为玻璃纤维材料在工厂实际生产提供理论指导依据,并为玻璃纤维材料的制造加工及更深远的发展奠定一定的理论基础。

1 材料与方法1.1 材料

[size=1em]1.1.1 加工刀具

[size=1em]鉴于GFRP材料具有硬度高、散热差等特性,高速钢刀具的磨损较快,加工质量较差,所以本次试验采用赛诚精密工具有限公司提供的高硬度、耐高温的硬质合金柄铣刀,其在复合材料如CFRP、GFRP等加工中已经被广泛应用。硬质合金铣刀如图1所示,铣刀参数见表1。

[size=0.8em]图1 硬质合金柄铣刀

[size=1em]1.1.2 加工工件

[size=1em]以临安普力电子材料有限公司生产的6 mm 玻璃纤维增强复合材料板为试验对象,实际试件尺寸(长、宽、厚)为140 mm × 8 mm × 6 mm。GFRP复合材料板由树脂和电子级玻璃布组成,材料成分及板件物理性能检测报告如表2所示:

[size=0.8em]表1 硬质合金柄铣刀参数

[size=0.8em]表2 GFRP材料成分表

1.2 试验方法

[size=0.8em]图2 铣削试验示意图

[size=0.8em]图3 试验流程图

[size=1em]本次试验采用控制变量法,通过设定不同的进给速度(100～500 mm/min)及主轴转速(10 000～18 000 r/min),对玻璃纤维增强复合材料进行开料加工,以加工时产生的铣削力、铣削温度及加工后试件的表面粗糙度及表面形貌为评价指标。其中,铣削力采用kistler公司9257B型号测力仪进行采集,如图3(a)所示;铣削温度采用红外热成像仪进行拍摄,如图3(b)所示;表面粗糙度采用探针式轮廓仪进行测量,如图3(c)所示;表面损伤形貌采用Quanta 200扫描电镜拍摄并进行对比分析。

2 结果与分析

[size=1em]本次试验为高效开料加工,采用了较大的主轴转速及进给速度,铣削试验共获得15种不同铣削参数组合下的F(x)和F(y),试验结果如表3所示。

2.1 铣削力的分析

[size=1em]铣削力是评判材料铣削性能的重要指标之一,它是铣削层材料在刀具的作用下发生变形的结果,直接影响到加工稳定性,对铣削热生成、刀具磨损、工件表面质量及设备损耗有着重要的影响。因此,对铣削力的研究一直是铣削加工中的研究重点。深入研究不同铣削参数对铣削力的影响,对提高GFRP加工质量与加工性能有显著价值。

[size=1em]在开料过程中,机床的振动及刀具的振动和轴向跳动均会导致Z轴铣削力的波动,致使误差出现,因此试验只对F(x)及F(y)的变化情况进行研究,在铣削力相对平稳阶段取平稳值进行研究。

[size=1em](1)进给速度对铣削力的影响

[size=1em]分析不同进给速度对铣削力的影响,如图4所示,其结果表明,铣削力F(x)与F(y)均随进给速度的增大而增大,这是因为随着铣刀进给速度的增加,每齿进给量也在不断变大,单位时间内铣削刃需要切除更多的材料,并且随着进给速度的增大,切屑也更难排出,汇聚在铣削加工的中心,在增加铣削量的同时也会增加相应的刀具/工件及刀具/切屑间的摩擦,使得铣削力进一步增大。

[size=0.8em]表3 硬质合金刀具在不同参数下的试验结果

[size=0.8em]图4 进给速度及主轴转速对铣削力的影响

[size=1em](2)主轴转速对铣削力的影响

[size=1em]任务的类型过于单一。许多老师在几乎所有的阅读课上都创造了几乎相同或相似的任务。这将使学生失去挑战任务的兴趣。只有20%的教师认真地准备他们的任务。任务是任务型教学法的核心，任务的创建必须有合理的规范，这是保证任务型教学法在英语阅读教学中有效性的唯一途径。

[size=1em]如图4所示,其结果表明,随着主轴转速的不断增大,铣削力F(x)与F(y)均呈现先下降再上升的趋势,随着主轴转速从10 000 r/min增至14 000 r/min,刀具与工件的摩擦加剧,产生大量铣削热,软化树脂,使得工件表面结合力下降,较小的铣削力即可切除材料。而在转速从14 000 r/min增加至18 000 r/min时,铣削力反而呈快速上升趋势,可能是当转速达到相应临界点时所发生的变化,规律尚不明确,需后续进一步探究。

2.2 铣削温度的分析

[size=1em]在铣削加工过程中,铣削层材料在刀具的挤压作用下形成切屑,并沿着刀具回转方向排出。在该过程中,除了刃口前端的材料发生塑性变形做功之外,刀具还会与切屑和已加工表面接触摩擦做功产生铣削热,特别是对于产生粉末状切屑的GFRP铣削过程,摩擦做功现象更加显著,产生的铣削热提高了铣削区域的温度,而铣削温度也是一个重要的衡量指标,对加工表面的质量和刀具磨损都有着直接或间接性的影响。本次试验的铣削温度数据采集为最大温度。以主轴转速为18 000 r/min,进给速度为500 mm/min为例,铣削温度于铣刀切出工件时取得最大温度100.8 ℃,铣削温度取值如图5所示。

[size=0.8em]图5 铣削温度取值

[size=1em]结果表明,随着进给速度的增大,GFRP的铣削温度呈现明显下降的趋势,如图6所示,这主要是因为GFRP材料本身的导热性能较差,且硬质合金刀具的导热性能也不强,在开料过程中,粉状GFRP切削大量积聚在刀具铣削刃处,并与刀具产生摩擦,进一步减弱了热传导能力,促使温度升高,并且开料过程一般最大温度是在刀具切出工件处取得,这与热累积效应相关,即铣削完成后,下一次铣削时温度无法降低至常温,热量不断累积,致使温度不断升高,本次试验为开料试验,刀具行程为80 mm,在低进给速度条件下,热累积的时间较长,而在高进给速度条件下,加工时长较短,热量累计时长短,所以最高温度较低。而从试验数据可知主轴转速对温度的影响规律与铣削力相反,并且主轴转速的变化对温度的影响较进给速度而言并不明显。

[size=0.8em]图6 进给速度及主轴转速对铣削温度的影响

2.3 表面质量的分析

[size=1em]表面质量作为产品的一项重要评价指标,一般以表面粗糙度及表面损伤形貌作为判定标准。

[size=1em]2.3.1 表面粗糙度的分析

[size=1em]表面粗糙度是评价铣削质量的一项重要指标,它表征了加工后表面的光洁度与质量,影响到后续的加工及使用,本文试验数据中的表面粗糙度取值均为顺铣端数值。

[size=1em]进给速度及主轴转速对表面粗糙度的影响如图7所示,随着进给速度的增大,GFRP的表面粗糙度呈现下降趋势,这主要是取决于开料加工的特殊性,加工距离较短,切屑大量堆积,铣削温度随进给速度的下降而不断升高,随着温度的升高,材料表面的树脂软化,使得玻璃纤维与树脂间结合力大大下降,在加工过程中纤维更易被拉扯,产生材料表面的毛刺与撕裂,致使表面粗糙度增大。而随着转速的变化,表面粗糙度无明显规律,但在18 000 r/min的条件下,表面粗糙度的变化幅度加大。同时,由于本次试验为开料加工,加工方式分为顺铣和逆铣两种,顺铣得到的左表面与逆铣得到的右表面进行对比,顺铣与逆铣对表面粗糙度的影响如图8所示,同加工参数下,顺铣端的工件表面粗糙度明显小于逆铣端,这主要与加工过程中刀具的回转方式相关,在开料铣削加工中,顺铣与逆铣所产生的铣削力的方向相反,在加工GFRP这类复合材料时,由于其各向异性与非均质性等特点,顺铣所产生的力与热量就会明显小于逆铣,顺铣表面在热力耦合作用下的纤维损伤程度也会小于逆铣表面,所以其结果表明,在开料铣削加工中,顺铣的表面较逆铣的表面更加平滑。

[size=0.8em]图7 进给速度及主轴转速对表面粗糙度的影响

[size=0.8em]图8 顺铣与逆铣对表面粗糙度的影响

[size=1em]2.3.2 加工表面损伤机理的分析

[size=1em]试验所用GFRP材料为编织成型,其结构原理如图9(a)所示,本次试验采用SEM扫描电镜对加工后工件的表面形貌进行分析研究,如图9(b)所示,箭头所指区域为材料铣削后的纵向编织纤维的横截面,可见扫描电镜下GFRP结构也清晰可见。

[size=0.8em]图9 GFRP成型结构

[size=1em]在GFRP铣削开料加工中,损伤多位于材料表层且分布不规则形状无规律,在开料过程中由于刀具的回转方式不同导致铣削力方向不同,因而顺铣表面与逆铣表面损伤程度往往不同,其主要以表层纤维撕裂及表面毛刺为主,GFRP开料加工材料破坏特征如图10所示,在扫描电镜2 000倍放大下,可看到图10(a)顺铣表面表层纤维多为完整纤维,图10(b)逆铣表面表层纤维撕裂程度较大,且顺铣表面以零星的细小树脂颗粒为主,而逆铣表面存在较大块的树脂碎块并交杂着撕裂的纤维,但同时裸露纤维处上方纵向切断的纤维横截面并未看出顺铣与逆铣加工下的明显差异,综上可明显看出顺铣下的左表面质量要高于逆铣下的右表面质量,尽管损伤类型相似,但逆铣的表面质量较顺铣会明显较低,这与分析表面粗糙度得出的结果是一致的。

[size=0.8em]图10 GFRP开料加工材料破坏特征

3 结论

[size=1em]本文使用硬质合金铣刀对GFRP材料进行开料加工,试验设计采用控制变量法,以刀具进给速度及机床主轴转速为因素,加工时采集的铣削力及铣削温度与加工后GFRP表面粗糙度及扫描电镜下的工件损伤形貌作为具体评价指标,对GFRP的开料加工特性进行分析与评价,结果如下:

[size=1em](1)在较短距离的开料加工中,随着进给速度的不断增大,单位时间内的材料去除量增大,铣削力F(x)与F(y)均呈明显上升趋势,同时因为热累积效应以及刀具及材料的热传导能力均较差,较高的进给速度所需加工时间较短,铣削温度反而呈下降趋势,同时表面粗糙度也因温度的下降而呈下降趋势,这与以往的结论并不相似。

[size=1em](2)随着主轴转速的增加,铣削力F(x)与F(y)均呈现先减后增的趋势,在14 000 r/min时铣削力达到谷值。同时,在18 000 r/min时,表面粗糙度的下降幅度大大增加。

[size=1em](3)从表面粗糙度的结果对比可知,在开料加工中顺铣的表面质量较逆铣要更高,扫描电镜显微图中也可清晰看到,顺铣与逆铣损伤形式类似,但逆铣加工纤维的损伤较顺铣加工纤维损伤更加明显。

[size=1em]参考文献:

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[size=1em]SONG][size=1em](1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China;2.LEUCO Precision Tooling(Taicang)Co.,Ltd,Suzhou Jiangsu 215400,China)

[size=1em]Abstract：In order to obtain the ideal milling parameters of glass fiber reinforced composites (GFRP) processed by cemented carbide tools, analyze the surface damage form and failure mechanism, and provide reference for practical production, this paper carried the milling experimental with carbide shank milling cutter and taking the feed speed and spindle speed as the milling factors, and taking the milling force, milling temperature, surface roughness and surface damage morphology as the evaluation indexes, the machining characteristics of GFRP materials were investigated. The results show that with the increase of the feed speed, the milling force F(x) andF(y)both increases, the milling temperature decreases, and the surface roughness also decreases with the decrease of temperature. With the increase of tool speed, the milling forces F(x)and F(y)decrease first and then increase, and reach the peak value at 14000 r/min. At the same time, the surface quality of the up-milling end is higher than that of the reverse milling end.Therefore, when selecting the processing parameters of GFRP materials, the feeding speed and spindle speed should be selected as large as possible on the basis of calculating the appropriate feed amount of each tooth according to the tool parameters, so as to improve the processing efficiency, reduce the tool wear to a certain extent, improve the surface quality and reduce the cost.

[size=1em]Key words：Cemented carbide tool; Glass fiber reinforced composite(GFRP); Cutting; Processing properties

[size=1em]中图分类号：TS643<p]

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2023)02-0043-07

[size=1em]收稿日期：2022-09-15

[size=1em]基金项目：南京林业大学2021年自制实验教学仪器项目(nlzzyq202113)

[size=1em]第一作者简介：宋宇翔,硕士研究生,研究方向为木材加工装备,E-mail:457833753@qq.com。

[size=1em]*通讯作者：丁建文,副教授,硕士,研究方向为木材加工装备工程,E-maill:dingjianwen@njfu.edu.cn。