陶瓷刀具車削木質(zhì)復合材料的切削性能

朱兆龍，郭曉磊*，趙飛，邱學海，鄭琳，曹平祥，朱南峰

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京210037；2.京瓷(中國)商貿(mào)有限公司上海分公司，上海200070)

陶瓷刀具車削木質(zhì)復合材料的切削性能

朱兆龍1，郭曉磊1*，趙飛2，邱學海1，鄭琳1，曹平祥1，朱南峰1

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京210037；2.京瓷(中國)商貿(mào)有限公司上海分公司，上海200070)

采用TiC增韌氧化鋁陶瓷木工刀具分別對纖維板和膠合板進行端面車削，利用Kistler測力儀測量其動態(tài)切削力，通過掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對刀具前后刀面進行微觀結(jié)構(gòu)觀察和磨損機理分析，以揭示陶瓷木工刀具的切削性能。試驗結(jié)果表明：陶瓷木工刀具端面車削木質(zhì)復合材料時，平行進給方向的切削分力FY和垂直進給方向的切削分力FZ隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著進給量的增大而增加；車削膠合板產(chǎn)生的切削合力FR高于車削纖維板產(chǎn)生的切削合力FR；在相同切削條件下，陶瓷刀具車削膠合板產(chǎn)生的磨損明顯比車削纖維板產(chǎn)生的磨損嚴重；陶瓷刀片的主要磨損形式是崩刃和后刀面磨損，磨損機理主要是磨粒磨損和粘結(jié)磨損。

陶瓷刀具；纖維板；膠合板；切削力；刀具磨損

陶瓷刀具以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性、高硬度以及化學穩(wěn)定性，在金屬加工領域中得到了廣泛的應用[1-2]。但由于陶瓷材質(zhì)本身的脆性[3]，導致陶瓷刀具在木質(zhì)材料加工中受到一定的限制。隨著陶瓷材料的不斷發(fā)展和刀具增韌技術(shù)的日益成熟[4-5]，這讓我們看到了陶瓷木工刀具發(fā)展的前景和希望。

進入21世紀以來，木質(zhì)復合材料成為了木材工業(yè)發(fā)展的重點，木質(zhì)復合材料以其獨特的結(jié)構(gòu)性能、加工性能等在我國家具、建筑、包裝等行業(yè)得到廣泛的應用[6-10]。對于木質(zhì)復合材料的加工方式多種多樣，但車削在木材加工中所占比重較小,國內(nèi)很少有人重視研究木材車削[11]。關(guān)于陶瓷刀具車削木質(zhì)復合材料研究亦鮮有報道，對如何提高陶瓷刀具車削木質(zhì)復合材料的切削性能、切削參數(shù)仍存在諸多不解的問題。為此，筆者研究了TiC增韌Al2O3陶瓷刀具加工MDF和膠合板的切削性能，分析了陶瓷刀具在不同切削參數(shù)和工件材料條件下的切削力特性以及刀具磨損機理，以期為陶瓷刀具應用于木質(zhì)材料加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

陶瓷刀具的車削試驗安排在沈陽第一機床廠CA6140車床上進行，選用Al2O3陶瓷刀具(刀片型號：TPGN160308T00820，刀桿型號：CTFR225M-16N,由京瓷工具公司生產(chǎn))分別對MDF和膠合板進行切削加工。Al2O3陶瓷刀具的機械性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。車削工件為直徑100 mm、厚度12 mm圓盤狀的纖維板和膠合板，工件材料性能見表2。陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 陶瓷刀具的材料組成及機械性能

表2 試驗材料

圖1 陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig. 1 Structure parameters of ceramic cutting tools

1.2 試驗方案

圖2 試驗示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the experiment

車削試驗過程如圖2所示。車削試驗過程中，通過KISTLER-Type 5070測力儀進行實時動態(tài)切削力測量，切削力包括主軸軸向切削分力FX、平行于進給方向的切削分力FY、垂直于進給方向的切削分力FZ、切削合力FR。將測力儀直接固定安裝在車床上，車刀裝夾在測力儀上，通過測力儀、數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器以及計算機構(gòu)成的切削力測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成FX、FY和FZ的測量。其中，由于本試驗采用主偏角為90°的車刀，軸向切削分力幾乎為零，因此，本試驗在研究陶瓷刀具車削性能過程中不考慮FX。試驗中選用切削參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速400，900和1 400 r/min,進給速度0.1，0.2和0.3 mm/r。試驗后，通過SEM和EDS(型號：Quanta 200)觀察分析刀片磨損部位的形態(tài)組織，以研究Al2O3陶瓷刀具在不同切削參數(shù)情況下加工纖維板和膠合板的切削力特性及磨損機理。

2 結(jié)果與分析

2.1 陶瓷刀具切削力

在木材切削過程中，凡是與切削區(qū)木材變形、摩擦等有關(guān)的因素都影響切削力,包括切削厚度、木材材性、刀具結(jié)構(gòu)、刀具磨損、相對于纖維的切削方向和切削速度等[12-16]。本試驗主要研究主軸轉(zhuǎn)速、進給量及加工材料對切削力的影響。

2.1.1 主軸轉(zhuǎn)速對切削力的影響

陶瓷刀具車削纖維板和膠合板的切削力Fy、Fz隨主軸轉(zhuǎn)速變化趨勢見圖3、圖4。從圖中可以看出：在其他影響因素不變的條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力Fy、Fz都呈減小趨勢。其主要原因在于：首先，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削區(qū)域材料的剪切角大，切削變形系數(shù)降低，刀具與切屑間的摩擦減小，導致切削力減小；其次，由于切削速度的增加，開始形成木材積屑瘤，從而增大了車刀的實際前角，以至切削力減小；最后，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削溫度急速增大，使得刀面與工件之間的摩擦系數(shù)較小，從而導致切削力的減小。

圖3 纖維板切削分力Fig. 3 The cutting forces on MDF

圖4 膠合板切削分力Fig. 4 The cutting forces on plywood

2.1.2 進給速度對切削力的影響

圖5 纖維板切削分力Fig. 5 The cutting forces on MDF

陶瓷刀具車削纖維板和膠合板的切削力FY、FZ隨著進給速度變化趨勢見圖5、圖6。從圖中可見，在其他影響因素不變的情況下，隨著進給速度的增加，切削力FY、FZ都呈減小趨勢。這是因為在車削過程中，隨著進給速度的增加，每轉(zhuǎn)加工量增加，即刀具每轉(zhuǎn)從工件上切削下來的材料量變大，克服工件變形阻力增大，則刀具的負載增大，導致切削力FY、FZ皆增加。

2.1.3 不同工件對切削力的影響

圖6 膠合板切削分力Fig. 6 The cutting forces on plywood

圖7 纖維板和膠合板的切削合力FRFig. 7 FR cutting forces on MDF and plywood

在不同切削參數(shù)下加工纖維板和膠合板的切削合力FR的變化趨勢見圖7。由圖中可以很明顯地看到，在不同切削參數(shù)的條件下，膠合板的切削力皆比纖維板大。這是因為膠合板的硬度和靜曲強度都高于纖維板，此外，由于纖維板由木質(zhì)纖維施膠壓制而成，而膠合板由單板經(jīng)過施膠壓制成。加工膠合板時，刀刃需要破壞板材的纖維以及板料之間的粘結(jié)力，這所需的切削力遠高于切削纖維板，所以在不同切削參數(shù)條件下，膠合板的切削力皆大于纖維板。

2.2 陶瓷刀具磨損機理

木工刀具磨損非常復雜，是物理、化學、機械、熱學等綜合作用結(jié)果，當?shù)毒吣p到一定程度后，對產(chǎn)品表面加工質(zhì)量、機床作業(yè)還有刀具自身都有著不小的影響[12]。此處主要研究了在主軸轉(zhuǎn)速900 r/min、進給速度0.2 mm/r切削參數(shù)條件下，加工材料對陶瓷刀具磨損的影響。

2.2.1 陶瓷刀具前刀面磨損

陶瓷刀具車削MDF前刀面磨損情況如圖8所示。從刀具車削纖維板10 min后的前刀面形貌圖(圖8a)中可以清楚觀察到,前刀面出現(xiàn)微崩刃現(xiàn)象。這是由于刀具的前刀面與切屑底面在連續(xù)切削的高溫高壓作用下發(fā)生激烈的擠壓和摩擦，陶瓷刀具基本不具備塑性變形能力[17]，在遇到纖維板中CaCO3、膠黏劑中填充劑等硬質(zhì)點的沖擊發(fā)生了微崩刃現(xiàn)象；其次，車削過程是一個連續(xù)切削過程，前刀面與切屑不斷地產(chǎn)生強烈的擠壓和摩擦，切削區(qū)域溫度升高，在熱應力的作用下產(chǎn)生微崩刃。從圖8b可以看出刀片的斷面顯微結(jié)構(gòu)，其斷面晶粒大小均一，表面有顯現(xiàn)的凹坑，說明其斷裂方式主要是沿晶斷裂。為了進一步分析刀具的磨損機理，對圖8b區(qū)域進行EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)分析區(qū)域出現(xiàn)微量的Si、Ca和Na 3種元素(圖8c)，而這些元素刀片本身不具備，應該來源于纖維板中的CaCO3硬質(zhì)點和膠黏劑，且氧化鋁陶瓷材料屬于離子鍵型，吸附能力較強[17 ],可以推斷出在加工纖維板時發(fā)生粘結(jié)磨損。

陶瓷刀具車削膠合板前刀面磨損情況見圖9。從氧化鋁陶瓷刀具是在車削膠合板10 min后的前刀面形貌圖(圖9a)中，可以觀察到其前刀面出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。這主要是由于在膠合板中的CaCO3、膠黏劑中填充劑等硬質(zhì)點等因素影響下，切削過程中系統(tǒng)振動產(chǎn)生的沖擊力，導致刀刃出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象；其次，膠合板相比纖維板，其材質(zhì)不均勻，在切削過程中，切削力受到不均勻應力，使刀具內(nèi)部產(chǎn)生拉應力，從而造成崩刃現(xiàn)象。從圖9b 可以看出刀片的斷裂表面比較平整，晶粒細小且均勻分布，并留出了部分韌窩，所以其主要的斷裂方式是穿晶斷裂。為了進一步分析刀具的磨損機理，并對圖9a區(qū)域進行EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)分析區(qū)域出現(xiàn)Si、Ca、Na和Cl 4種元素(圖9c)，而這些元素刀片本身不具備，這源于膠合板中的CaCO3硬質(zhì)點和膠黏劑，再加上氧化鋁陶瓷材料屬于離子鍵型，吸附能力較強[17]，可以推斷出在加工纖維板時出現(xiàn)了的粘結(jié)磨損。

圖8 車削MDF前刀面磨損圖Fig. 8 Rake wear in turning MDF

圖9 車削膠合板前刀面磨損圖Fig. 9 Figure of rake wear in turning plywood

圖10 后刀面微觀圖Fig. 10 Microgram of flank face

2.2.2 陶瓷刀具后刀面磨損

陶瓷刀具車削纖維板和膠合板10 min后的磨損形貌圖見圖10。從圖10a車削纖維板可以看出，刀具出現(xiàn)了微崩刃，其后刀面上存在輕微密集的劃痕。其主要原因是工件材料中CaCO3等硬質(zhì)點猶如砂輪中的磨料，對刀具后刀面產(chǎn)生長時間交替的摩擦、刻劃及碰撞；再者，由于木材的彈性模量較大，已加工表面回彈大，導致已加工表面與后刀面的接觸壓力更大，導致陶瓷后刀面出現(xiàn)密集的劃痕，這屬于典型的磨粒磨損。

從圖10b切削膠合板后的磨損形貌圖可以看出,其后刀面不僅出現(xiàn)了密集的劃痕，還出現(xiàn)了晶粒脫落現(xiàn)象。其主要原因在于膠合板中CaCO3、膠黏劑顆粒等硬質(zhì)點的擠壓摩擦作用形成密集劃痕；其次，膠合板的質(zhì)地不均勻使得切削力無規(guī)律變化導致晶粒脫落和一定的磨粒磨損。

3 結(jié) 論

1)在其他影響因素不變的條件下，切削力FY、FZ隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，切削力FY、FZ隨著進給量的增加而增大。

2)在不同切削參數(shù)下，切削膠合板產(chǎn)生的切削合力FR皆高于切削纖維產(chǎn)生的切削合力。

3)陶瓷刀具切削纖維板產(chǎn)生的磨損明顯低于切削膠合板產(chǎn)生的磨損。陶瓷刀具切削纖維板主要磨損形式是微崩刃和后刀面磨損，刀具的斷裂方式主要是沿晶斷裂，磨損機理是磨粒磨損和輕微的粘結(jié)磨損；而陶瓷刀具切削膠合板主要磨損形式是崩刃、晶粒脫落和后刀面磨損，刀具的斷裂方式主要是穿晶斷裂，磨損機理是磨粒磨損和粘結(jié)磨損。

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Cutting performance of ceramic tool in turningwood-based composites

ZHU Zhaolong1, GUO Xiaolei1*, ZHAO Fei2, QIU Xuehai1, ZHENG Lin1,CAO Pingxiang1, ZHU Nanfeng1

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;2.Kyocera(China)TradingCo.,Ltd.ShanghaiBranch,Shanghai200070,China)

The cutting performance of a reinforced alumina-based ceramic cutting tool was investigated by turning medium density fiberboard (MDF) and plywood samples on a lathe. During the woodturning process, the dynamic cutting forces were measured by a Kistler dynamometer. The microstructure of the ceramic tool was observed by scanning electron microscopy (SEM), and the tool wear mechanism was analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS). After comparing the effects of cutting parameters and sample materials on the cutting forces, it was found that the cutting force parallel to the feed direction (FY) and the cutting force perpendicular to the feed direction (FZ) both decreased with the increase of spindle speed, but increased with the increase of feed rate. The resultant cutting force (FR) in turning plywood was higher than that in turning MDF. With the same cutting parameters, the tool wear in turning plywood was more significant than that in turning MDF. The main wear patterns were micro-chipping, chipping and flank wear, and the main wear mechanism was abrasive and adhesive wear.

ceramic cutting tools; MDF; plywood; cutting forces; tool wear

2016-06-17

2016-09-26

國家自然科學基金項目(31500480)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)。

朱兆龍，男，博士生，研究方向為木材切削加工。通信作者：郭曉磊，男，博士，副教授。E-mail:youngleiguo@hotmail.com

TG711

A

2096-1359(2017)01-0119-06