木塑复合材料正交切削过程中的切削力研究

admin

木塑复合材料正交切削过程中的切削力研究

周杰,杨沛琪,朱梦男,郭晓磊*

(南京林业大学材料科学与工程学院,南京 210037)

摘 要：木塑复合材料是一种环境友好型的绿色复合材料,因其具有防腐防潮、硬度大、可循环利用等优点,深受国内外木材行业的认可,具有良好的发展前景。在对木塑复合材料进行切削加工的过程中,切削力是影响刀具寿命和加工质量的一个重要因素。为了进一步探究木塑复合材料在切削加工过程中切削力的变化特性,基于方差分析和分形理论,分别研究了木塑复合材料切削加工过程中的平均切削力和切削力信号分形维数,并用二者表征静态切削力和动态切削力,切削力信号分形维数越小,动态切削力越稳定。研究结果表明:静态切削力随切削深度的增加而增大,随刀具前角的增大而减小,随一定范围内木粉质量分数的增大而增大;动态切削力信号分形维数随切削深度的增加而减小,随刀具前角的增大而增大,随一定范围内木粉质量分数的增大而增大。因此,在实际生产过程中,较大的刀具前角、较小的切削深度和适当的木粉质量分数有助于降低能耗,提高切削的稳定性。

关键词：木塑复合材料;正交切削;方差分析;分形理论;静态切削力;动态切削力

[size=1em]随着经济的快速增长,全世界对于木材的需求量越来越大,直接导致了木材供不应求的现状,所以作为木材的理想替代品——木塑复合材料(WPC)应运而生,它是一种由木粉等植物纤维和热塑性高分子材料混合而成的新型复合材料[1-3]。WPC具有防腐防潮、硬度大、可循环利用等优点,具有良好的发展前景,在建筑、装饰材料等行业中已被广泛应用[4-5]。切削作为木塑复合材料的主要加工方式之一,其参数要求决定着产品的质量,故对WPC的切削研究是具有重要意义的。

[size=1em]目前对木塑复合材料的切削力研究中,大多是对其静态切削力进行分析,用平均切削力来表示静态切削力。刘战强等[6]对高速铣削过程中的静态切削力进行了研究。潘永智等[7]研究了基于静态切削力预测模型的刀具几何参数和切削参数优化。Guo等[8]研究了使用陶瓷刀具对实木铣削过程的静态切削力。而在实际的切削过程中,切削力是一个呈周期变化的动态力[9]。孔祥成[10]对高速正交切削加工下45钢的切削变形、静态切削力及动态切削力进行了分析。Shan等[11]研究了考虑纤维分布的单向碳/碳复合材料横向正交切割的动态切削力模型。本试验所得的动态切削力信号可看作随时间变化的分形曲线,可通过分形理论计算其分形维数来间接研究动态切削力,分形维数越小,动态切削力的波动范围越小,切削越稳定。

[size=1em]鉴于此,本研究使用液压牛头刨床(B665)并采用硬质合金刀具,对木塑复合材料进行正交切削试验,通过改变刀具前角、切削深度及木粉配比得到不同条件下的切削力,基于方差分析和分形理论,研究出刀具前角、切削深度和木粉配比对静、动态切削力的影响规律,以期得到更加丰富的理论依据,指导木塑复合材料的实际切削加工。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]试验材料为安徽国丰木塑科技有限公司提供的尺寸为250 mm×100 mm×8 mm的由木纤维/木粉和热塑性塑料混合而成的木塑复合材料,以及由湖南迪克硬质合金有限公司提供的切削刃宽为12 mm、后角恒为12°的硬质合金刀具。木粉质量分数为50%的WPC物理性质为:密度1.65 kg/cm3,含水率15.2%,弹性模量4.27×103 MPa,抗弯强度4.72 MPa,冲击强度1.57×103 MPa,抗拉强度27.83 MPa。

1.2 试验方法

[size=1em]将夹取WPC工件的多分量测力仪(Kistler9257B)置于液压牛头刨床(B665)的刀具下,试验布置图如图1所示,采用正交切削的方式对WPC工件进行切削[12]。

[size=0.8em]图1 试验布置图

[size=0.8em]Fig.1 Test layout diagram

[size=1em]分别改变前角(5°,15°,25°,30°和40°)、切削深度(0.1,0.3,0.5,0.7和1.0 mm)和木粉质量分数(50%,60%和70%)进行单因素试验,共进行75组试验,每组试验重复5次,试验样本共计375组,取均方根为最终结果。

2 结果与分析2.1 静态切削力分析

[size=1em]2.1.1 刀具前角、切削深度及木粉质量分数对静态切削力的影响

[size=1em]刀具前角、切削深度和3种木粉质量分数与静态切削力的关系如图2所示。同一刀具前角与木粉质量分数下,静态切削力随切削深度的增加而增加。这主要是因为在切削WPC时,随着切削深度的增大,同等条件下切削面积增大,切削变形系数减小,所需的切削力会增大。同一切削深度与木粉质量分数下,静态切削力随刀具前角的增大而减小[13-15]。这是因为随着刀具前角增大,同等条件下切削变形系数减小,切屑与前刀面接触面积减小,导致摩擦力减小,所以静态切削力减小[16]。同一切削深度与刀具前角下,木粉质量分数为50%的WPC静态切削力总体上小于木粉质量分数为60%和70%时的静态切削力。这是由于木粉质量分数的减小会导致WPC的力学性能减弱,从而使静态切削力减小。在木塑复合材料的实际加工中,减小切削深度、增大刀具前角或选用木粉质量分数合适的WPC,都可以达到减小切削力,从而降低切削设备能耗的效果。

[size=0.8em]图2 不同木粉质量分数下刀具前角、切削深度与静态切削力的关系

[size=0.8em]Fig.2 Relationship among tool front angle, depth of cut, and static cutting forces at different wood flour mass ratios

[size=1em]2.1.2 静态切削力的方差分析

[size=1em]通过使用SPSS 23.0统计分析软件,运用一般线性模型研究以切削深度、刀具前角和木粉质量分数为3因素的方差分析结果,如表1所示。运用Duncan法得到的刀具前角、切削深度及木粉质量分数对切削力影响的多重比较结果如表2所示。

[size=0.8em]表1 方差分析结果

[size=0.8em]Table 1 Analysis of variance results

[size=0.8em]表2 Duncan法多重比较结果

[size=0.8em]Table 2 Multiple comparisons results of Duncan’s method

[size=1em]通过3因素方差分析的统计学假设检验方法,可得主体间效应检验结果(表1)。不同刀具前角贡献离差平方和为405 737.738,均方为101 434.435;不同切削深度贡献离差平方和为534 218.792,均方为133 554.698;不同木粉质量分数贡献离差平方和为11 731.830,均方为5 865.915。这说明在相同的条件下,三者影响静、动态切削力的显著性从大到小依次为切削深度、刀具前角、木粉质量分数。从显著性概率来看,三者均小于0.05,说明三者均对静态切削力有影响。此外,多个控制变量的交互作用对静态切削力也具有显著影响。

[size=1em]由表1可知,3因素均对静态切削力有显著影响,故通过事后比较中的Duncan法得到刀具前角、切削深度及木粉质量分数对静态切削力的影响多重比较结果,如表2所示。由表2可以看出,当刀具前角为40°、切削深度为0.1 mm、木粉质量分数为60%时静态切削力最小。因此,在WPC实际加工中可以采取上述参数获得更小的静态切削力,并达到低能耗生产的目的。

2.2 基于分形理论的动态切削力分析

[size=1em]2.2.1 动态切削力信号分形维数

[size=1em]分形理论在20世纪70年代初期被法国数学家曼德布罗提出,目前,分形理论已被广泛运用于自然科学、社会科学和工程技术等各个学科及技术领域[17]。分形维数是分形理论中用来描述信号复杂程度的重要工具。本研究用分形维数来表征动态切削力信号,采用频谱求维数法求得动态切削力信号的分形维数,再通过分析分形维数,得出刀具前角、切削深度及木粉质量分数对动态切削力的影响[18]。

[size=1em]若要得到分形维数,需要先求出信号的功率谱指数,再根据频谱求维数公式D=(5-β)/2,代入功率谱指数β,求出分形维数D。

[size=1em]由多分量测力仪(Kistler 9257B)测得的切削力信号为时域信号,而根据频谱求维数需要得到动态切削力的频域信号,因此,需先将时域信号进行降噪处理。本研究采用均值滤波法降噪,如图3所示。

[size=0.8em]图3 降噪后的时域信号(刀具前角5°、切削深度0.3 mm、木粉质量分数60%)

[size=0.8em]Fig.3 Time domain signals after noise reduction (tool front angle of 5°, depth of cut of 0.3 mm,wood powder mass ratio of 60%)

[size=1em]经降噪处理后的时域信号明显更加贴合切削力的实际波动范围,从而可以转换为更加精确的功率谱图。本研究采用间接法求功率谱,先求出原始信号的自相关函数,再通过傅里叶变换得到功率谱图及双对数坐标转换图,如图4所示。由双对数坐标转换图可以看出,功率谱在对数坐标转换后有明显的递减规律,但数值还是有一定的波动性,故可采用最小二乘法将其拟合成一条直线,如图5所示,所拟合出的直线斜率绝对值即为功率指数β,从而可求得动态切削力信号的分形维数[10]。

[size=0.8em]图4 动态切削力信号的功率谱图及双对数坐标转换后的功率谱图

[size=0.8em]Fig.4 Power spectra of dynamic cutting force signals and power spectra after double logarithmic coordinate conversion

[size=0.8em]图5 直线拟合后的功率谱双对数坐标转换图

[size=0.8em]Fig.5 Double logarithmic coordinate transformation of the power spectrum after straight line fitting

[size=1em]2.2.2 刀具前角、切削深度及木粉质量分数对动态切削力的影响

[size=1em]将试验所得的75组切削力数据通过上述求取分形维数的方法依次求出,并用其表征动态切削力。木粉质量分数为50%,60%和70%时不同刀具前角下不同切削深度的动态切削力信号分形维数如图6所示。从3个图的纵向变化可以看出,随着切削深度的增加,不同木粉质量分数的木塑复合材料动态切削力信号分形维数均呈明显的上升趋势,此趋势在图6a中最为明显,而动态切削力信号分形维数表征的是动态切削力的波动范围,分形维数越小,动态切削力的波动范围越小,切削越稳定[19]。由此可知,切削WPC的过程中,在相同试验条件下,动态切削力的波动范围随切削深度的增加而增大。这是由于随着切削深度的增大,切削面积逐渐增大,切屑的面积和重量也在增大,导致切削力增大,刀具与切屑的摩擦力增大,从而使得动态切削力的波动范围增大,切削稳定性变差。

[size=0.8em]图6 不同木粉质量分数下刀具前角、切削深度与动态切削力分形维数的关系

[size=0.8em]Fig.6 Relationship among tool front angle,depth of cut, and dynamic cutting force fractal dimension at different wood flour mass ratios

[size=1em]从3个图的横向变化可以看出,刀具前角对动态切削力信号分形维数存在着一定的影响,刀具前角在5°～40°的变化过程中,分形维数整体呈下降趋势,尤其是在30°～40°的变化过程中,分形维数下降最为明显。由此可知,切削WPC的过程中,在相同试验条件下,刀具前角越大,动态切削力的波动范围越小,切削越稳定。这是由于刀具前角的增加会导致切屑受到的正压力减小,继而导致刀具与切屑的摩擦力减小,从而使得动态切削力的波动减小,切削稳定性增加。

[size=1em]由图6可知,当木粉质量分数分别为50%,60%和70%时,动态切削力信号分形维数的波动范围分别为2.366 5～2.446 5,2.395 3～2.460 3和2.370 5～2.461 2。显然,木粉质量分数为50%时的波动范围低于其他两者,表明50%木粉质量分数的WPC在切削过程中动态切削力相比木粉质量分数为60%和70%时更加稳定。这是由于木粉质量分数为50%的WPC中聚乙烯含量更高,塑性较好,硬度也较低,从而导致切削的稳定性增加,这也与静态切削力的分析结果相似。

3 结 论

[size=1em]本试验研究了WPC在正交切削过程中刀具前角、切削深度及木粉质量分数对静、动态切削力的影响,并对其展开分析,得到的结论如下:

[size=1em]1)在刀具前角与木粉质量分数固定不变时,静态切削力始终随切削深度的增加而增加,在切削深度很小时,刀具前角变化对静态切削力的影响不显著;同一切削深度与木粉质量分数下,静态切削力随刀具前角的增大而减小;同一切削深度下,对应不同的刀具前角,木粉质量分数为50%的WPC静态切削力总体上小于木粉质量分数为60%和70%时的静态切削力。

[size=1em]2)在相同试验条件下,动态切削力的波动范围随切削深度的增大而增大,随刀具前角的增大而减小,在刀具前角30°～40°的增大过程中,动态切削力的波动范围呈较大幅度减小,稳定性提升最为明显;在相同的试验条件下,50%木粉质量分数的WPC在切削过程中动态切削力相比木粉质量分数为60%和70%时更加稳定。

[size=1em]3)在相同条件下,影响静、动态切削力的显著性从大到小依次为切削深度、刀具前角、木粉质量分数。

[size=1em]4)在实际生产中,静态切削力影响生产功耗,动态切削力影响加工稳定性,因此二者都不可忽略,综合二者的分析结果得出一种可供实际生产参考的方案:较大的刀具前角、较小的切削深度和适当的木粉质量分数,该方案会使静态切削力相对减小,使动态切削力相对稳定,可使实际生产更加稳定高效。

[size=1em]参考文献(References)：

[size=1em][1] 范忠志.分析森林保护与木材供应双赢实现的途径[J].农业与技术, 2018, 38(23): 63-64.DOI: 10.11974/nyyjs.20181215026.

[size=1em]FAN Z Z.Analyze the ways to achieve a win-win situation between forest protection and timber supply[J].Agriculture and Technology, 2018, 38(23): 63-64.

[size=1em][2] 杨飞文, 龙海波, 董倩倩, 等.松木粉/ABS木塑复合材料的制备与性能研究[J].塑料工业, 2019, 47(S1): 78-81.DOI: 10.3969/j.issn.1005-5770.2019.Z1.019.

[size=1em]YANG F W, LONG H B, DONG Q Q, et al.Preparation and properties of pine wood flour/ABS wood-plastic composites[J].China Plastics Industry, 2019, 47(S1): 78-81.

[size=1em][3] 张国华, 滕朝阳.利用玻璃纤维增强热固性树脂废渣和玉米秸秆制备木塑复合材料[J].西部皮革, 2016, 38(18): 23.DOI: 10.3969/j.issn.1671-1602.2016.18.022.

[size=1em]ZHANG G H, TENG C Y.Wood-plastic composites were prepared from waste residue of glass fiber reinforced thermosetting resin and cornstraw[J].West Leather, 2016, 38(18): 23.

[size=1em][4] 蒋荣升, 郭晓磊, 曹平祥.主轴转速和刀具前角对木塑复合材料切削性能的影响[J].林业工程学报, 2022, 7(3): 144-149.DOI: 10.13360/j.issn.2096-1359.202105034.

[size=1em]JIANG R S, GUO X L, CAO P X.Effect of spindle speed and milling tool rake angle on cutting forces and surface roughness of wood plastic composites[J].Journal of Forestry Engineering, 2022, 7(3): 144-149.

[size=1em][5] 黄润州, 梅长彤, 徐信武, 等.皮层对皮-芯结构木塑复合材料性能的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版), 2017, 41(5): 135-140.DOI: 10.3969/j.issn.1000-2006.201609015.

[size=1em]HUANG R Z, MEI C T, XU X W, et al.Effect of shell on core-shell structure wood polymer composite with short glass fiber filled shells via co-extrusion technology[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition), 2017, 41(5): 135-140.

[size=1em][6] 刘战强, 万熠, 艾兴.高速铣削中切削力的研究[J].中国机械工程, 2003, 14(9): 734-737.

[size=1em]LIU Z Q, WAN Y, AI X.Cutting forces in high speed milling[J].China Mechanical Engineering, 2003, 14(9): 734-737.

[size=1em][7] 潘永智, 艾兴, 唐志涛, 等.基于切削力预测模型的刀具几何参数和切削参数优化[J].中国机械工程, 2008, 19(4): 428-431.

[size=1em]PAN Y Z, AI X, TANG Z T, et al.Optimization of tool geometry and cutting parameters based on a predictive model of cutting force[J].China Mechanical Engineering, 2008, 19(4): 428-431.

[size=1em][8] GUO X L, WANG J X, DIETRICH B, et al.Cutting forces and cutting quality in the up-milling of solid wood using ceramic cutting tools[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 114: 1575-1584.DOI: 10.1007/S00170-021-06991-X.

[size=1em][9] 刘亚俊, 万珍平, 李菊欢, 等.刀具磨损过程中切削力动态分量信号分形维数的变化规律研究[J].工具技术, 2004, 38(6): 16-18.DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2004.06.004.

[size=1em]LIU Y J, WAN Z P, LI J H, et al.Study on change regularity of fractal dimension of dynamics cutting force with tool wear during cutting process[J].Tool Engineering, 2004, 38(6): 16-18.

[size=1em][10] 孔祥成.45钢高速切削加工切削变形及切削力实验研究[D].天津: 天津职业技术师范大学, 2022.

[size=1em]KONG X C.Experimental study on cutting deformation and cutting force in high speed machining of 45 steel[D].Tianjin: Tianjin University of Technology and Education, 2022.

[size=1em][11] SHAN C W, ZHANG M H, YANG Y, et al.A dynamic cutting force model for transverse orthogonal cutting of unidirectional carbon/carbon composites considering fiber distribution[J].Composite Structures, 2020, 251: 112668.DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112668.

[size=1em][12] 刘璨, 吴敬权, 刘焕牢, 等.平底立铣刀在多刃切削时的切削力变化规律研究[J].中国机械工程, 2016, 27(10): 1352-1357.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.012.

[size=1em]LIU C, WU J Q, LIU H L, et al.Study on variation regulation of cutting forces in multi-edge cutting with flat end mills[J].China Mechanical Engineering, 2016, 27(10): 1352-1357.

[size=1em][13] 刘均, 曾桂林, 邹益胜, 等.瞬时铣削力数学模型及验证[J].机械设计与制造, 2016(11): 1-4.DOI:10.19356/j.cnki.1001-3997.2016.11.001.

[size=1em]LIU J, ZENG G L, ZOU Y S, et al.Instantaneous milling force mathematical model and experimental verification[J].Machinery Design &Manufacture, 2016(11): 1-4.

[size=1em][14] 刘闯, 黄树涛, 周丽, 等.SiCp/Al复合材料高速铣削的有限元仿真研究[J].工具技术, 2013, 47(9): 34-38.DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2013.09.011.

[size=1em]LIU C, HUANG S T, ZHOU L, et al.Finite element simulation research of high speed milling SiCp/Al composites[J].Tool Engineering, 2013, 47(9): 34-38.

[size=1em][15] 郭雪琪, 安平, 杨武, 等.石英玻璃微铣削加工的离散元模拟与试验分析[J].工具技术, 2017, 51(4): 33-37.DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2017.04.008.

[size=1em]GUO X Q, AN P, YANG W, et al.DEM simulation and experiment analysis for three-dimensional micro milling process of quartz glass[J].Tool Engineering, 2017, 51(4): 33-37.

[size=1em][16] 王雷, 郑清春, 胡亚辉, 等.基于有限元方法的钛合金加工切削力研究[J].天津理工大学学报, 2016, 32(5): 26-30.DOI: 10.3969/j.issn.1673-095X.2016.005.006.

[size=1em]WANG L, ZHENG Q C, HU Y H, et al.Study on cutting force of titanium alloys based on finite element method[J].Journal of Tianjin University of Technology, 2016, 32(5): 26-30.

[size=1em][17] 李珂.基于分形理论的计算机图案设计研究[D].成都: 西南交通大学, 2011.

[size=1em]LI K.Computer graphics design based on fractal theory[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011.

[size=1em][18] 郑光明, 赵军, 王晓琴.硬质合金刀具车削钛合金时切削力分形特征研究[J].工具技术, 2010, 44(1): 23-25.DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2010.01.005.

[size=1em]ZHENG G M, ZHAO J, WANG X Q.Study on fractal characte-rization of cutting force in dry turning titanium alloy with carbide tool[J].Tool Engineering, 2010, 44(1): 23-25.

[size=1em][19] 袁恒.基于图像处理技术研究木塑切削中刀具磨损[D].南京: 南京林业大学, 2009.

[size=1em]YUAN H.Research on tool’s abrasion when cutting WPC based on the technology of image processing[D].Nanjing: Nanjing Forestry University, 2009.

Study of cutting forces during orthogonal cutting of wood-plastic composites

[size=1em]ZHOU Jie, YANG Peiqi, ZHU Mengnan, GUO Xiaolei*

[size=1em](College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

[size=1em]Abstract：With the rapid economic development, demands for natural resources have been increased.As one of the most widely used natural resources, wood is experiencing a rapid increase in demand.The shortage of timber supply has become a common problem in many countries around the world.Wood-plastic composite(WPC)material is an environmentally friendly green composite material, which is well recognized as construction material in domestic and international markets due to its advantages of corrosion and moisture resistance, hardness and recyclability, which has extensive development prospects.In order to further analyze the variation characteristics of cutting forces during the processing of wood-plastic composites, this study took wood-plastic composites as the research object and used the three-phase force measuring instrument(Kistler 9257B)and conducted tests on a hydraulic bullhead planer(B665)with orthogonal cutting.The average cutting force and the fractal dimension of the cutting force signal during the cutting process of wood-plastic composites were investigated based on ANOVA and fractal theory by varying the front angles(5°, 15°, 25°, 30° and 40°), the depths of cut(0.1, 0.3, 0.5, 0.7 and 1.0 mm)and wood flour mass fractions(50%, 60% and 70%), respectively.The static cutting force and dynamic cutting force were characterized by both of the average cutting force and the fractal dimension of the cutting force signal.The smaller the fractal dimension, the more stable the dynamic cutting force.The results showed that the static cutting force always increased with the increasing depth of cut and decreased with the increasing tool front angle, the static cutting force of WPC with 50% wood flour mass ratio was generally smaller than that of WPC with 60% and 70% wood flour mass ratio.The stability of dynamic cutting force decreased with the increasing depth of cut and increased with the increasing tool front angle, and the dynamic cutting force of WPC with 50% wood flour mass ratio was more stable compared with 60% and 70% wood flour mass ratio.Therefore, in practice, a larger tool front angle, a smaller depth of cut and an appropriate mass ratio of wood flour are conducive to reduce energy consumption and improve cutting stability.

[size=1em]Keywords：wood-plastic composite; orthogonal cutting; analysis of variance; fractal theory; static cutting forces; dynamic cutting forces

[size=1em]中图分类号：TS643

[size=1em]文献标志码：A

[size=1em]文章编号：2096-1359(2023)03-0058-06

[size=1em]收稿日期：2022-09-02

[size=1em]修回日期：2022-10-11

[size=1em]基金项目：国家自然科学基金(31971594)。

[size=1em]作者简介：周杰,男,研究方向为木材加工装备。

[size=1em]通信作者：郭晓磊,男,教授。E-mail:xiaolei.guo@njfu.edu.cn