蔣榮升，郭曉磊，曹平祥

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037)

木塑復(fù)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(fù)合材料，它具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)在防水、防腐、阻燃、耐老化等性能方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。在現(xiàn)代家具、包裝、建材等行業(yè)中，木塑復(fù)合材料在使用前需要對(duì)其進(jìn)行加工處理。在加工方法中，銑削是最常用的方法，它由主運(yùn)動(dòng)(刀具回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng))和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組成[2]。硬質(zhì)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(zhì)量好等特點(diǎn)[3]。在加工過程中不同切削參數(shù)的設(shè)定，會(huì)導(dǎo)致不同的加工質(zhì)量和加工成本，因此銑削參數(shù)對(duì)加工的影響是當(dāng)前主要的研究方向之一[4-6]。目前學(xué)者對(duì)木材和常用人造板關(guān)于切削參數(shù)與加工的關(guān)系研究較多[7-9]，而關(guān)于木塑復(fù)合材料銑削加工的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道，需要進(jìn)一步研究銑削參數(shù)與木塑復(fù)合材料加工的影響關(guān)系。

筆者通過對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)，研究主軸轉(zhuǎn)速和刀具前角對(duì)木塑復(fù)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(zhuǎn)速對(duì)切削力和表面粗糙度的影響效果[10-11]，建立了主軸轉(zhuǎn)速與切削力的數(shù)學(xué)模型[12]，以期為木塑復(fù)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(yàn)材料

木塑復(fù)合材料(WPC)由安徽科居新材料有限公司生產(chǎn)。該WPC以PVC(53%，質(zhì)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(yàn)工件的厚度為9 mm，其詳細(xì)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(zhì)合金柄銑刀，切削直徑為18 mm，楔角固定為45°。

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

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用南興裝備股份有限公司的數(shù)控加工中心MGK01進(jìn)行銑削試驗(yàn)(圖1)。如圖1a所示，通過瑞士Kistler的測(cè)量系統(tǒng)來進(jìn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后由計(jì)算機(jī)中的Dynoware軟件得出切削力值。信號(hào)以7 100 Hz的頻率連續(xù)采樣，5次測(cè)量值的平均值作為切削力值。Fx為平行于進(jìn)給方向的分力，F(xiàn)y為垂直于進(jìn)給方向的分力，F(xiàn)r為切削合力，計(jì)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(cè)量機(jī)S-NEX001SD-12對(duì)加工后的表面進(jìn)行測(cè)量，并用ACCTee軟件得出結(jié)果。采樣長度為10 mm，以Ra作為表面粗糙度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，取3次測(cè)量值的平均值作為表面粗糙度值。

(1)

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

具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 切削試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Cutting experimental scheme

平均切削厚度的計(jì)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(jìn)給速度，m/min；n為主軸轉(zhuǎn)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(jì)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(zhuǎn)速，r/min。

本試驗(yàn)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(zhuǎn)速n和進(jìn)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(zhuǎn)速n有關(guān)，本試驗(yàn)只考慮以主軸轉(zhuǎn)速n為變量產(chǎn)生的影響，以切削力F和表面粗糙度Ra為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響

在刀具前角為6°時(shí)切削力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可看出，在主軸轉(zhuǎn)速為8 000～11 000 r/min時(shí)，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(zhuǎn)速的逐漸增大而逐漸減小的趨勢(shì)。其中切削分力Fy大于切削分力Fx，說明刀具切削時(shí)平行于進(jìn)給方向所受到的推力較小，垂直于進(jìn)給方向的受到的擠壓力較大。切削合力Fr隨轉(zhuǎn)速逐漸降低是由于轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)速對(duì)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(zhuǎn)速下對(duì)切削合力試驗(yàn)測(cè)試得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括測(cè)量個(gè)數(shù)、切削合力平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量Table 3 Descriptive statistics of resultant force

對(duì)樣本的方差齊性檢驗(yàn)得知，方差齊性檢驗(yàn)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(zhuǎn)速對(duì)切削合力的單因素方差分析結(jié)果見表4。

表4 切削合力的方差分析結(jié)果 Table 4 ANOVA of resultant force

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

通過分析結(jié)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(duì)每個(gè)水平的均值逐對(duì)進(jìn)行對(duì)比。由方差齊性檢驗(yàn)可知，本實(shí)例方差具有齊次性，因此可以采用LDS法來進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，在顯著性水平0.05時(shí)，4種主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對(duì)切削合力的回歸分析中，模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.986，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差為0.91。模型的方差分析結(jié)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(gè)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(zhuǎn)速系數(shù)為-0.005，因此，得出木塑復(fù)合材料切削合力Fr的回歸數(shù)學(xué)模型為：

Fr=95.983-0.005n

(4)

表7 模型系數(shù)aTable 7 Coefficients

2.4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工表面粗糙度的影響

主軸轉(zhuǎn)速從8 000～11 000 r/min時(shí)對(duì)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(zhuǎn)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(shí)間內(nèi)被去除工件材料的體積，其表達(dá)式如公式(5)所示[13]。由于主軸轉(zhuǎn)速與材料去除率成正相關(guān)關(guān)系，在其余4個(gè)因素不變時(shí)，主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，r/min；ap為軸向切深，mm；ae為徑向切深，mm；fz為每齒進(jìn)給量，mm/z；Zn為刀具齒數(shù)。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)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(zhuǎn)速下對(duì)表面粗糙度試驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果見表8。這些數(shù)據(jù)包括測(cè)量個(gè)數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均值的95%置信區(qū)間、最小值和最大值。

對(duì)樣本的方差齊性檢驗(yàn)中得知方差齊性檢驗(yàn)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(yīng)該拒絕零假設(shè)，認(rèn)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(jì)量Table 8 Descriptive statistics of surface roughness

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

表9 表面粗糙度的方差分析結(jié)果Table 9 ANOVA of surface roughness

2.6 刀具前角對(duì)切削力的影響

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

增設(shè)前角為2°和10°的切削刀具，在同刀具前角為6°時(shí)一樣的切削參數(shù)條件進(jìn)行銑削試驗(yàn)，分析其對(duì)切削合力和表面粗糙度的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可見，不同前角的刀具銑削時(shí)的切削合力Fr均隨著主軸轉(zhuǎn)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(shì)。本試驗(yàn)中使用的刀楔角度是固定的，當(dāng)?shù)毒咔敖窃龃髸r(shí)，刀具的后角就會(huì)減小。在切削過程中，如果后角過小，后刀面對(duì)切削面的擠壓和摩擦將會(huì)增大，導(dǎo)致切削力增大。然而，在本試驗(yàn)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(duì)切削力的影響在這個(gè)試驗(yàn)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(dāng)前角減小時(shí)，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(dāng)前角減小時(shí)，切削合力呈增大趨勢(shì)，即切削合力隨刀具前角的增大而減小[14]。

2.7 刀具前角對(duì)表面粗糙度的影響

銑刀前角對(duì)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(zhuǎn)速的增加而有升高趨勢(shì)，隨著刀具前角的增大，加工表面粗糙度有遞減的趨勢(shì)。這主要是由于前角的增大導(dǎo)致刀具在銑削工件時(shí)，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(zhì)量，所以加工表面粗糙度有所降低[15]。

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

3 結(jié) 論

1)刀具前角為6°、主軸轉(zhuǎn)速為8 000～11 000 r/min時(shí)，切削力Fx、Fy以及切削合力Fr隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表面粗糙度Ra隨著轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。單因素方差分析表明，在0.05顯著性水平下，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削合力Fr的作用顯著，且4種主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度Ra的作用并不顯著。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了切削合力與主軸轉(zhuǎn)速的回歸方程為：Fr=95.983-0.005n。

2)刀具前角為2°～10°時(shí)切削合力均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而逐減小，表面粗糙度值隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而呈增大的趨勢(shì)，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(shì)。

3)從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的增加有所提高，但主軸轉(zhuǎn)速對(duì)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(nèi)，刀具前角10°，主軸轉(zhuǎn)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(shí)際生產(chǎn)中，可以通過提高轉(zhuǎn)速和刀具前角，以保證加工質(zhì)量和提高加工效率。