衛(wèi)　宏 ，郭曉磊，張　清 ，朱兆龍 ，曹平祥 ，丁建文

（1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；2.藍(lán)幟(南京)工具有限公司，江蘇 南京 211100）

陶瓷材料具有優(yōu)異的耐熱性、耐磨性、高硬度以及化學(xué)穩(wěn)定性，應(yīng)運(yùn)而生的陶瓷刀具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬切削[1-2]。但陶瓷刀具脆性較強(qiáng)，加之木材的高度各向異性，且切削速度較高，可達(dá)到金屬的5倍左右，陶瓷刀具在切削木材過程中極易造成崩刃破損，導(dǎo)致其在木材切削中的應(yīng)用受到一定的限制[3-4]。近年來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了改性增韌的Si3N4基陶瓷和Al2O3基陶瓷材料，極大地提高了陶瓷刀具材料斷裂韌性和強(qiáng)度，為其應(yīng)用于木材切削領(lǐng)域提供了可能性[5-6]，同時(shí)，市場(chǎng)上還出現(xiàn)了類似的增強(qiáng)木塑復(fù)合材料，提高了復(fù)合材的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性[7]。進(jìn)一步證實(shí)了陶瓷材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

伴隨著木材加工行業(yè)的不斷發(fā)展，高密度纖維板（HDF）以其質(zhì)軟耐沖擊，強(qiáng)度較高，壓制好后密度均勻，在家具、建筑、包裝等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[8-9]。但關(guān)于陶瓷刀具銑削HDF的研究較少，對(duì)如何提高陶瓷刀具銑削HDF的切削性能、優(yōu)化切削參數(shù)仍存在諸多不解的問題[10-11]。

本試驗(yàn)利用TiC增韌的Al2O3陶瓷刀具銑削HDF，通過研究切削速度，切削長(zhǎng)度變化對(duì)切削力及刀具磨損的影響，揭示陶瓷刀具銑削HDF的切削性能及磨損機(jī)理，為陶瓷刀具應(yīng)用于木材加工業(yè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)設(shè)備及材料

本試驗(yàn)是利用南興MGK01高速木材復(fù)合加工中心進(jìn)行銑削加工，采用TiC增韌的Al2O3陶瓷刀具（刀片型號(hào)：TPGN160308T00820，刀盤型號(hào)：ZS_D10006_11_06，由京瓷集團(tuán)生產(chǎn)）對(duì)HDF進(jìn)行逆銑。Al2O3陶瓷刀具的機(jī)械性能參數(shù)如表1所示，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。該試驗(yàn)按照木工刀具的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工了7組不同結(jié)構(gòu)的刀片進(jìn)行切削試驗(yàn)，本試驗(yàn)就其中一組刀片的切削性能及磨損進(jìn)行詳細(xì)的分析，其角度參數(shù)為：前角6°、楔角70°、后角14°。試驗(yàn)所用的切削加工工件為高密度纖維板，工件規(guī)格與特性見表2，根據(jù)加工中心構(gòu)造及測(cè)力儀結(jié)構(gòu)尺寸，將試件預(yù)先加工成大小合適的尺寸：150 mm(長(zhǎng))×80 mm(寬)×10.7 mm(厚)。

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

表1　陶瓷刀具的材料組成及機(jī)械性能Table 1　Material composition and mechanical properties of ceramic tool

表2　試驗(yàn)材料Table 2　Experimental Materials

1.2　試驗(yàn)方案

該銑削試驗(yàn)加工參數(shù)如表3所示，在保證平均切削厚度相同的條件下，利用氧化鋁陶瓷刀具在不同切削速度下銑削HDF，研究了切削速度，切削長(zhǎng)度變化對(duì)陶瓷刀具切削力及磨損的影響。

切削速度Vc：一般指刀具切削刃上的某一點(diǎn)相對(duì)于待加工表面在主運(yùn)動(dòng)方向上的瞬時(shí)速度，即Vc= πDN/1 000 (因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速n比進(jìn)給速度U遠(yuǎn)遠(yuǎn)大很多，所以我們一般都以主軸轉(zhuǎn)速來計(jì)算切削速度)。

銑削深度即切削深度h：切削工件時(shí)已加工表面與待加工表面之間的垂直距離。

選擇上述參數(shù)，通過試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)，在相同的平均切削厚度的條件下，在不同切削速度下，來研究陶瓷木工刀具的切削性能。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　陶瓷刀具切削力

圖2　試驗(yàn)示意Fig.2　Schematic for the experiment

表3　銑削試驗(yàn)加工參數(shù)?Table 3　Milling experimental parameters

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[12-13]。這些因素包括切削厚度、木材材性、刀具結(jié)構(gòu)、刀具磨損、相對(duì)于纖維的切削方向和切削速度等[14-15]。切削力的變化對(duì)刀具磨損，刀具壽命起著至關(guān)重要的影響。由基本切削理論可知：空間銑削力在以切削時(shí)的銑刀所在坐標(biāo)系中進(jìn)行分解時(shí)，3個(gè)切削力分別為：沿刀具切向分力Ft、沿刀具徑向分力Fr和沿刀具軸向分力Fz[16-17]。由于直接測(cè)量沿刀具的切向分力和徑向分力比較困難，本試驗(yàn)通過測(cè)得的工件坐標(biāo)系中三向切削力Fx、Fy和Fz，以及對(duì)應(yīng)的切削刃在切削區(qū)的幾何關(guān)系示意圖，如圖2（a），可得出刀具坐標(biāo)系中的三向分力。從切削理論可知，側(cè)向切削分力Fz主要作用是對(duì)材料形成向上或者向下的推力[18-19]。由于本試驗(yàn)采用的是直韌柄銑刀（非螺旋齒刀具），該銑刀不產(chǎn)生在 Z 軸方向的切削力。所出現(xiàn)的切削力圍繞在零點(diǎn)上下波動(dòng)，這主要是由于刀具切削工件時(shí)，機(jī)床、工件和刀具之間產(chǎn)生的振動(dòng)所致，故本試驗(yàn)中沒有研究Fz的變化。公式（1）、（2）為刀具坐標(biāo)系中兩向切削分力與工件坐標(biāo)系中兩向切削分力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

式（1）、（2）中，θ為運(yùn)動(dòng)遇角，切削厚度h=1 mm，刀盤直徑D=100 mm，所以sinθ=0.1，cosθ=0.995，由式（1）、（2）可換算出Ft和Fr。本試驗(yàn)在高低切削速度的條件下，通過銑削HDF，研究其切削長(zhǎng)度及切削速度對(duì)切削力的影響。

2.1.1　切削長(zhǎng)度對(duì)切削力的影響

本試驗(yàn)研究了切削長(zhǎng)度變化對(duì)切削力的影響，圖3是Al2O3陶瓷刀具銑削HDF的切削力Fr、Ft隨主軸轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)圖，該圖數(shù)據(jù)顯示：在相同的切削參數(shù)條件下，隨著切削長(zhǎng)度的增加，切削力Fr、Ft都呈增大趨勢(shì)。這是由于隨著切削長(zhǎng)度的增大，刀具刃口變鈍，刀具磨損嚴(yán)重，切削刃撕裂切屑的作用力增大，后刀面與已加工表面的摩擦增大，導(dǎo)致切削力逐漸增大。

圖3　切削長(zhǎng)度對(duì)切削力的影響Fig.3　Cutting forces in different cutting length

2.1.2　切削速度對(duì)切削力的影響

高速切削條件下的切削力Fr和Ft明顯低于低速切削條件下的切削力Fr和Ft，如圖4所示，這是因?yàn)殡S著切削速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)切削量增大，其產(chǎn)生的熱量增大，而陶瓷是熱的不良導(dǎo)體，刀具與工件之間的摩擦系數(shù)變小，切屑的變形系數(shù)變小，導(dǎo)致切削力變小。

2.2　陶瓷刀具磨損的影響因素

刀具能否正常切削，切削質(zhì)量的好壞，加工效率的高低，經(jīng)久耐用程度都與刀具磨損有著密切的關(guān)系[20]。在木材切削時(shí)，隨著切削過程的進(jìn)行，刀具刃口逐漸由鋒利變鈍，因而研究刀具磨損，對(duì)提高刀具的使用壽命及加工效率有著重要的意義。該試驗(yàn)在高、低切削速度的條件下，通過銑削HDF，研究其切削長(zhǎng)度及切削速度對(duì)刀具磨損的影響。

圖4　不同速度的切削力對(duì)比Fig.4　Comparison of cutting force in different speeds

2.2.1　切削長(zhǎng)度對(duì)刀具磨損的影響

在相同切削速度的條件下，隨著切削長(zhǎng)度的增加，刀具后刀面磨損量也逐漸增加，如圖5所示。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，主要由于隨著切削長(zhǎng)度的增大，切削熱逐漸增加，而逆銑屬于斷續(xù)切削加工，在切削過程中，遇到硬質(zhì)點(diǎn)的沖擊，就容易出現(xiàn)磨損，甚至破損的現(xiàn)象。

圖5　不同切削長(zhǎng)度下的磨損情況Fig.5　Flank wear in different cutting length

2.2.2　切削速度對(duì)刀具磨損的影響

由圖5分析可見，在較高的切削速度下刀具磨損明顯比較低切削速度下的刀具磨損嚴(yán)重，這是由于在高速切削過程中，單位時(shí)間內(nèi)，切削量增大，切削溫度增加更快，切削刃與工件之間阻力變大，導(dǎo)致刀具磨損更加嚴(yán)重。

由于本論文使用切削速度較高，單位時(shí)間內(nèi)加工量大，且使用的高密度纖維板，里面有硬度較高的干燥的膠黏劑等雜質(zhì)，當(dāng)切削刃沖擊到它們時(shí)，極可能會(huì)出現(xiàn)磨損。國(guó)內(nèi)外，少有人對(duì)陶瓷木工刀具進(jìn)行大量研究，本試驗(yàn)仍處于初期磨損階段，后續(xù)會(huì)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)加以研究。

2.3　刀具損傷形式

隨著刀具磨損變鈍，切削質(zhì)量下降，切削力增大，嚴(yán)重時(shí)刀具會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，出現(xiàn)異常噪聲，甚至嚴(yán)重影響木材加工。因此研究刀具的磨損機(jī)理，對(duì)提高刀具的使用壽命及加工效率有著極其重要的作用。本試驗(yàn)通過SEM和EDS對(duì)刀具進(jìn)行微觀研究及分析，得出刀具的磨損機(jī)理主要是裂紋，崩刃和后刀面磨損。

2.3.1　裂紋

高密度纖維板銑削加工的轉(zhuǎn)速較高，在這樣的切削條件下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的斷續(xù)切削，刀具不斷受到交變應(yīng)力的沖擊，產(chǎn)生微裂紋這種疲勞損傷。造成微裂紋產(chǎn)生的原因包括：（1）纖維板材料在生產(chǎn)過程中容易混入一些硬質(zhì)雜質(zhì)，這些硬質(zhì)點(diǎn)的硬度很大，導(dǎo)致切削刃突然受到很大的沖擊力，切削刃受力不均導(dǎo)致微裂紋出現(xiàn)；（2）陶瓷銑刀銑削過程是斷續(xù)切削，導(dǎo)致刀具不斷受到交變應(yīng)力，交變應(yīng)力的作用使得刀具內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而造成微裂紋的出現(xiàn)；（3）高密度纖維板采用逆銑的方式，切削刃從切入到切出，每次走刀抬刀的過程，切削刃溫度存在周期性變化。每次走刀的過程中切削刃溫度快速升高，刀具熱脹；每次抬刀的過程，溫度快速下降，刀具冷縮，這樣走刀抬刀的周期性過程刀具內(nèi)部也產(chǎn)生了周期交變內(nèi)應(yīng)力，而陶瓷刀具熱膨脹系數(shù)較大，最終導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)。銑削是一個(gè)周期性間斷切削，在長(zhǎng)時(shí)間的切削過程中，刀具受到交變外應(yīng)力的沖擊，產(chǎn)生裂紋。再者，刀具每次走到切削工件，溫度急速上升，離開工件，刀具冷卻，在這樣的周期性的過程中，刀具內(nèi)部產(chǎn)生周期性的交變內(nèi)應(yīng)力，也導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生，該試驗(yàn)通過對(duì)不同加工長(zhǎng)度的刀片進(jìn)行電鏡分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其中部分刀片在加工到100 m左右時(shí)，其后刀面出現(xiàn)了裂紋，如圖6所示。

圖6　裂紋Fig.6　Cracks

2.3.2　崩刃

當(dāng)工件材料組織、硬度、余量不均勻，前角偏大導(dǎo)致切削刃強(qiáng)度偏低，工藝系統(tǒng)剛性不足產(chǎn)生振動(dòng)，或者進(jìn)行斷續(xù)切削，刀刃質(zhì)量欠佳時(shí)，切削刃容易發(fā)生微崩，即刃區(qū)出現(xiàn)微小的崩落、缺口等。本試驗(yàn)在切削初期，刀具的切削刃鋒利、切削應(yīng)力集中，導(dǎo)致出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。再者，當(dāng)HDF中混有硬質(zhì)物時(shí)，隨著切削力的變化或是銑削過程中出現(xiàn)瞬時(shí)沖擊振動(dòng)，也會(huì)使切削刃產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。如圖7所示，刀具的后刀面出現(xiàn)了崩刃。

圖7　崩刃Fig.7　Breakage

2.3.3　剝落

對(duì)于脆性很大的材料，由于表層組織中有缺陷或潛在裂紋，或由于焊接、刃磨而使表層存在著殘余應(yīng)力，在切削過程中不夠穩(wěn)定或刀具表面承受交變接觸應(yīng)力時(shí)極易產(chǎn)生表層剝落，涂層刀具剝落的可能性較大。該試驗(yàn)在銑削過程中刀具遇到較大的硬質(zhì)點(diǎn)沖擊，使刀具出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。隨著刀具繼續(xù)磨損，切削力，切削溫度不斷上升，刀具的摩擦力及作用力明顯增大。隨著切削區(qū)域溫度升高，工件材料粘結(jié)到切削刃口，當(dāng)粘結(jié)材料脫落時(shí)，粘結(jié)力很容易使刀具表層產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。如圖8所示，刀具的前刀面出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。

2.4　磨損機(jī)理

2.4.1　磨粒磨損

使用該刀具加工HDF到80 m左右時(shí)，刀具出現(xiàn)明顯磨損，通過電鏡試驗(yàn)觀察如圖9所示，出現(xiàn)了“斷層狀”即明顯的片狀溝槽，這是由于HDF中的硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具后刀面產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的交替摩擦，刻劃及碰撞所致。再者，由于脫落的晶粒是TiC，它的研磨能力堪比金剛石，也會(huì)刮擦刀具表面。

圖8　剝落Fig.8　Spalling

圖9　磨粒磨損Fig.9　Abrasive wear

2.4.2　粘結(jié)磨損

圖10　粘結(jié)磨損Fig.10　Adhesion

本試驗(yàn)對(duì)該刀具磨損較為明顯位置做了EDS分析，分析結(jié)果如圖10所示，由圖可見，其中Ti，C，O，Al元素均屬于刀具材料所含元素，而K，Mg，Si則來自HDF的膠黏劑及填充劑中，而Ca則來自于HDF中硬質(zhì)點(diǎn)CaCO3中的元素。由此推斷在銑削HDF的過程中，刀具發(fā)生了粘結(jié)磨損。這是由于在高速、高溫的銑削條件下，工件材料粘結(jié)到刀刃表面，在摩擦力等的作用下，粘結(jié)物帶走刀具表面相關(guān)成分的物質(zhì)，導(dǎo)致刀具發(fā)生粘結(jié)磨損。

3　結(jié)論與討論

本試驗(yàn)采用TiC增韌氧化鋁陶瓷木工刀具對(duì)高密度纖維進(jìn)行逆銑加工，通過動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量及電鏡試驗(yàn)，觀察陶瓷刀具的前、后刀面的微觀結(jié)構(gòu)，分析了刀具前、后刀面的形貌，揭示了陶瓷木工刀具的銑削磨損機(jī)理。研究結(jié)果表明：

1.切削力隨著切削長(zhǎng)度的增大而增大。

2.高切削速度下的切削力Fr和Ft低于低切削速度下的切削力Fr和Ft。

3.后刀面磨損量隨著切削長(zhǎng)度的增大而增大。

4.陶瓷刀具銑削HDF，刀具主要磨損形式為崩刃，裂紋，剝落。磨損形式主要是粘結(jié)磨損和磨粒磨損。

本試驗(yàn)主要是研究相同切削厚度的條件下，不同切削參數(shù)對(duì)木工陶瓷刀具的切削力及磨損，主要集中在初期磨損及其損失形式，磨損機(jī)理的研究。后續(xù)將對(duì)陶瓷刀具銑削高密度纖維板時(shí)的刀具使用壽命及加工質(zhì)量展開詳細(xì)的研究。并繼續(xù)改進(jìn)試驗(yàn)方案，進(jìn)一步研究木工陶瓷刀具切削性能，以期為陶瓷刀具應(yīng)用于木材加工業(yè)做出更加深入的研究。

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