主軸轉速和刀具前角對木塑復合材料切削性能的影響

蔣榮升，郭曉磊，曹平祥

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037)

木塑復合材料(wood plastic composite，WPC)是以木纖維/木粉和熱塑性高分子材料為主要成分，多種助劑為輔助成分而制備成的一種復合材料，它具有良好的力學性能，同時在防水、防腐、阻燃、耐老化等性能方面也具有獨特的優(yōu)勢[1]。在現(xiàn)代家具、包裝、建材等行業(yè)中，木塑復合材料在使用前需要對其進行加工處理。在加工方法中，銑削是最常用的方法，它由主運動(刀具回轉切削運動)和進給運動組成[2]。硬質合金是加工中最常用的刀具材料之一，具有硬度高、耐磨性高、耐熱性好、使用壽命長、加工質量好等特點[3]。在加工過程中不同切削參數(shù)的設定，會導致不同的加工質量和加工成本，因此銑削參數(shù)對加工的影響是當前主要的研究方向之一[4-6]。目前學者對木材和常用人造板關于切削參數(shù)與加工的關系研究較多[7-9]，而關于木塑復合材料銑削加工的相關研究卻鮮有報道，需要進一步研究銑削參數(shù)與木塑復合材料加工的影響關系。

筆者通過對木塑復合材料進行銑削試驗，研究主軸轉速和刀具前角對木塑復合材料銑削過程中切削力和表面粗糙度的影響，采用單因素方差分析方法分析主軸轉速對切削力和表面粗糙度的影響效果[10-11]，建立了主軸轉速與切削力的數(shù)學模型[12]，以期為木塑復合材料的銑削加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

木塑復合材料(WPC)由安徽科居新材料有限公司生產。該WPC以PVC(53%，質量比，下同)、木粉(16%)、鈣粉(16%)作為主要原料，添加阻燃劑、石蠟等助劑(15%)，經(jīng)過熱壓成型的板材。試驗工件的厚度為9 mm，其詳細的材料性能見表1。刀具采用上海博深銳高工具有限公司的單齒直刃硬質合金柄銑刀，切削直徑為18 mm，楔角固定為45°。

表1 木塑復合材料的材料性能Table 1 Material properties of wood-plastic composites (WPC)

1.2 試驗方法

試驗采用南興裝備股份有限公司的數(shù)控加工中心MGK01進行銑削試驗(圖1)。如圖1a所示，通過瑞士Kistler的測量系統(tǒng)來進行切削力的采集，工件被放置在傳感器9257B上，經(jīng)電荷放大器5070A對信號進行放大，然后由計算機中的Dynoware軟件得出切削力值。信號以7 100 Hz的頻率連續(xù)采樣，5次測量值的平均值作為切削力值。Fx為平行于進給方向的分力，F(xiàn)y為垂直于進給方向的分力，F(xiàn)r為切削合力，計算公式如方程式(1)所示。由于切削刃處的傾斜角為0°，所以沒有考慮軸向切削力。如圖1b所示，加工完成后，利用東京Seimitsu的表面粗糙度測量機S-NEX001SD-12對加工后的表面進行測量，并用ACCTee軟件得出結果。采樣長度為10 mm，以Ra作為表面粗糙度的評價標準，取3次測量值的平均值作為表面粗糙度值。

(1)

圖1 切削力試驗過程(a)和表面粗糙度測量(b)Fig. 1 Test process of cutting force(a) and measurement of surface roughness(b)

具體試驗方案見表2。

表2 切削試驗設計Table 2 Cutting experimental scheme

平均切削厚度的計算公式如方程式(2)所示：

(2)

式中：aav為平均切削厚度，mm；vf為進給速度，m/min；n為主軸轉速，r/min；Zn為齒數(shù)；h為切削深度，mm；D為刀具直徑，mm。

切削速度的計算公式如方程式(3)所示：

(3)

式中：v為切削速度，m/s；D為刀具直徑，mm；n為主軸轉速，r/min。

本試驗銑刀齒數(shù)Zn=1、銑削厚度h=2 mm、銑刀直徑D=18 mm，通過改變主軸轉速n和進給速度vf使得平均切削厚度aav=0.1 mm。 根據(jù)方程式(3)知，切削速度v只與主軸轉速n有關，本試驗只考慮以主軸轉速n為變量產生的影響，以切削力F和表面粗糙度Ra為評價指標。

2 結果與分析

2.1 主軸轉速對切削力的影響

在刀具前角為6°時切削力隨主軸轉速的變化趨勢如圖2所示。由圖2可看出，在主軸轉速為8 000～11 000 r/min時，切削分力Fx、切削分力Fy以及切削合力Fr都呈現(xiàn)出隨著主軸轉速的逐漸增大而逐漸減小的趨勢。其中切削分力Fy大于切削分力Fx，說明刀具切削時平行于進給方向所受到的推力較小，垂直于進給方向的受到的擠壓力較大。切削合力Fr隨轉速逐漸降低是由于轉速的提高導致單位時間內刀具切削工件和切屑的摩擦頻率增加，切削區(qū)域溫度升高，木塑切削表面的硬度下降，使得切削更容易，切削力減小，合力Fr從57.82 到42.99 N，降低了25.6%。

圖2 主軸轉速對切削力的影響Fig. 2 Effects of spindle speed on cutting force

2.2 切削合力的單因素分析

不同主軸轉速下對切削合力試驗測試得到的統(tǒng)計結果見表3。統(tǒng)計指標包括測量個數(shù)、切削合力平均值、標準差、平均值的標準誤差、平均值的95%置信區(qū)間、最小值和最大值。

表3 切削合力的描述統(tǒng)計量Table 3 Descriptive statistics of resultant force

對樣本的方差齊性檢驗得知，方差齊性檢驗值為1.394，概率p值為0.281，大于顯著性水平0.05。說明各組的方差在0.05水平上沒有顯著性不同，即方差具有齊次性，滿足方差分析的前提要求。

主軸轉速對切削合力的單因素方差分析結果見表4。

表4 切削合力的方差分析結果 Table 4 ANOVA of resultant force

從表4可以看出，樣本對應的概率p值為0.000，小于顯著性水平0.05，應該拒絕零假設(組間均值無顯著性差異)，表明主軸轉速對切削合力產生了顯著影響。

通過分析結果可知，總體均值間是存在顯著不同的，但不知具體哪些水平間存在顯著不同，需要通過多重比較來對每個水平的均值逐對進行對比。由方差齊性檢驗可知，本實例方差具有齊次性，因此可以采用LDS法來進行多重比較檢驗，結果如表5所示。由表5可以看出，在顯著性水平0.05時，4種主軸轉速下的切削合力兩兩之間都有顯著性差異。

表5 LDS多重比較aTable 5 LDS multiple comparisons

2.3 切削合力的回歸方程建立

主軸轉速對切削合力的回歸分析中，模型的相關系數(shù)R2為0.986，標準估計誤差為0.91。模型的方差分析結果見表6。由表6可以看出，回歸的平方和解釋了總平方和的很大一部分，顯著性為0.007，說明整個模型的顯著性很高。

表6 方差分析aTable 6 ANOVA

模型的參數(shù)見表7。由表7可見，常系數(shù)為95.983，主軸轉速系數(shù)為-0.005，因此，得出木塑復合材料切削合力Fr的回歸數(shù)學模型為：

Fr=95.983-0.005n

(4)

表7 模型系數(shù)aTable 7 Coefficients

2.4 主軸轉速對加工表面粗糙度的影響

主軸轉速從8 000～11 000 r/min時對WPC表面粗糙度的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，加工表面粗糙度Ra隨著主軸轉速的逐漸增加也逐漸增加，Ra從7.22升高到7.72，增加了0.5，提高了6.9%。

材料去除率(MRR)是指單位時間內被去除工件材料的體積，其表達式如公式(5)所示[13]。由于主軸轉速與材料去除率成正相關關系，在其余4個因素不變時，主軸轉速增加，材料去除率增大，表面粗糙度就越大。

MRR=n·ap·ae·fz·Zn

(5)

式中：n為主軸轉速，r/min；ap為軸向切深，mm；ae為徑向切深，mm；fz為每齒進給量，mm/z；Zn為刀具齒數(shù)。

圖3 主軸轉速對表面粗糙度的影響Fig. 3 Effect of spindle speed on surface roughness

2.5 表面粗糙的單因素分析

在4種主軸轉速下對表面粗糙度試驗測試得到的結果見表8。這些數(shù)據(jù)包括測量個數(shù)、平均值、標準差、平均值的標準誤差、平均值的95%置信區(qū)間、最小值和最大值。

對樣本的方差齊性檢驗中得知方差齊性檢驗值為0.217，概率p值為0.882，明顯大于顯著性水平的0.05。故不應該拒絕零假設，認為各組的方差0.05水平上無顯著性差異，滿足方差分析的前提要求。

表8 表面粗糙度的描述統(tǒng)計量Table 8 Descriptive statistics of surface roughness

主軸轉速對表面摩擦力的單因素方差分析結果見表9。由表9得知，樣本對應的概率P值為0.352，大于顯著性水平0.05，應該接受零假設(組間均值無顯著性差異)，表明主軸轉速對表面摩擦力無顯著影響。

表9 表面粗糙度的方差分析結果Table 9 ANOVA of surface roughness

2.6 刀具前角對切削力的影響

圖4 銑刀前角對切削力的影響Fig. 4 Effect of rake angle on cutting force

增設前角為2°和10°的切削刀具，在同刀具前角為6°時一樣的切削參數(shù)條件進行銑削試驗，分析其對切削合力和表面粗糙度的影響，結果如圖4所示。從圖4可見，不同前角的刀具銑削時的切削合力Fr均隨著主軸轉速的增加而逐漸降低，隨刀具前角的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢。本試驗中使用的刀楔角度是固定的，當?shù)毒咔敖窃龃髸r，刀具的后角就會減小。在切削過程中，如果后角過小，后刀面對切削面的擠壓和摩擦將會增大，導致切削力增大。然而，在本試驗中刀具后角的變化從43°到35°，屬于大后角，后刀面與切削表面的擠壓和摩擦不明顯。也就是說，刀具后角對切削力的影響在這個試驗中可以忽略。刀具前角主要影響前刀面接觸材料的變形和破壞，所以刀具前角主要影響前刀面處的切削力。當前角減小時，切削層的變形和破壞增大，即工件的變形程度增大，所需的力也增大。因此，當前角減小時，切削合力呈增大趨勢，即切削合力隨刀具前角的增大而減小[14]。

2.7 刀具前角對表面粗糙度的影響

銑刀前角對表面粗糙度的影響見圖5。從圖5中可以看出，不同前角的刀具加工后，工件的表面粗糙度都隨著主軸轉速的增加而有升高趨勢，隨著刀具前角的增大，加工表面粗糙度有遞減的趨勢。這主要是由于前角的增大導致刀具在銑削工件時，前刀面的切屑變形和破壞減小，減少了毛刺和凹坑的生成，從而提高了加工的表面質量，所以加工表面粗糙度有所降低[15]。

圖5 銑刀前角對表面粗糙度的影響Fig. 5 Effect of rake angle on surface roughness

3 結 論

1)刀具前角為6°、主軸轉速為8 000～11 000 r/min時，切削力Fx、Fy以及切削合力Fr隨著主軸轉速的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，表面粗糙度Ra隨著轉速的增加而呈現(xiàn)升高的趨勢。單因素方差分析表明，在0.05顯著性水平下，主軸轉速對切削合力Fr的作用顯著，且4種主軸轉速下的切削合力兩兩之間都有顯著性差異；而在0.05顯著性水平下，主軸轉速對表面粗糙度Ra的作用并不顯著?；趯嶒灁?shù)據(jù)建立了切削合力與主軸轉速的回歸方程為：Fr=95.983-0.005n。

2)刀具前角為2°～10°時切削合力均隨著主軸轉速的增加而逐減小，表面粗糙度值隨主軸轉速的提高而呈增大的趨勢，隨著刀具前角的增大，切削合力和表面粗糙度都呈現(xiàn)降低趨勢。

3)從試驗結果看，隨著主軸轉速的提高，所受的切削力更小，刀具受到的力量也就更小。雖然表面粗糙度隨著轉速的增加有所提高，但主軸轉速對表面粗糙度的影響并不顯著。刀具前角增大切削力和表面粗糙度降低。在所選參數(shù)范圍內，刀具前角10°，主軸轉速11 000 r/min為最優(yōu)的銑削參數(shù)，切削力最小，表面粗糙度較好。在實際生產中，可以通過提高轉速和刀具前角，以保證加工質量和提高加工效率。