梁星宇 楊沛琪 伍占文 賈 翀 郭曉磊

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

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（glass fiber reinforced plastic，GFRP）是一種以不飽和聚酯樹(shù)脂為基體材料，用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料[1]。GFRP 具有很高的塑性，可以滿足使用者對(duì)家具造型的個(gè)性化需求；GFRP 具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，其制成的家具產(chǎn)品質(zhì)量輕，方便搬運(yùn)和安裝；GFRP 具有極好的耐高溫和耐腐蝕性能，可用于生產(chǎn)戶外家具產(chǎn)品。因此，GFRP 在家居行業(yè)具有非常廣闊的應(yīng)用前景[2-5]。

在制造桌子、凳子、沙發(fā)等終端GFRP 家具產(chǎn)品時(shí)，開(kāi)料加工是生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品零部件的基礎(chǔ)加工工藝。開(kāi)料指的是根據(jù)工藝、尺寸的要求將板件加工成所需要的幅面規(guī)格的過(guò)程，其加工質(zhì)量的好壞對(duì)工件后續(xù)的加工有著重要的影響[6]。在開(kāi)料過(guò)程中，由于GFRP 是一種各向異性的非均質(zhì)材料，加工時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)加工表面質(zhì)量差、加工精度低等問(wèn)題，這對(duì)GFRP 的加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生了極大的影響[7,8]。因此，對(duì)GFRP 開(kāi)料加工質(zhì)量進(jìn)行研究對(duì)提高GFRP 產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義[9]。

已有的研究表明，已加工表面質(zhì)量與加工過(guò)程中的切削力、切削溫度有著非常重要的關(guān)聯(lián)性[10-13]。關(guān)于GFRP 加工過(guò)程中的切削力、切削溫度主要受到加工參數(shù)的影響[14-15]。因此，需要對(duì)GFRP 銑削開(kāi)料過(guò)程中切削力、切削溫度和表面粗糙度與開(kāi)料加工參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究[15-18]。

鑒于此，本文采用硬質(zhì)合金柄銑刀對(duì)GFRP 進(jìn)行銑削開(kāi)料試驗(yàn)，研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對(duì)銑削力、銑削溫度以及銑削表面粗糙度的影響，并采用環(huán)境掃描電鏡（environmental scanning electron microscope，ESEM）拍攝加工表面的圖像，分析GFRP表面損傷的機(jī)理。為GFRP 的開(kāi)料加工提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究所采用的試驗(yàn)材料是由臨安普力電子材料有限公司生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其尺寸為140 mm × 8 mm × 6 mm，其主要成分及材料性能見(jiàn)表1。

表1 GFRP 材料成分及性能表

本研究所采用的刀具是賽誠(chéng)精密工具有限公司提供的硬度高、耐高溫的硬質(zhì)合金柄銑刀，其工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 硬質(zhì)合金刀具的工藝參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

如圖1 所示，GFRP 的銑削開(kāi)料試驗(yàn)是在數(shù)控加工中心（MGK01，南興機(jī)械有限公司，中國(guó)廣州）上進(jìn)行的，其最大進(jìn)給速度為50 m/min，最大速度為24 000 r/min，功率在干燥條件下為8.1 kW。試驗(yàn)的切削力采用Kistler 9257B 壓電晶體測(cè)力儀進(jìn)行采集分析。試驗(yàn)的切削溫度采用紅外熱成像儀（Thermo Vision A20-M,FLIR Systems Inc.,USA）測(cè)量。采用東京精密生產(chǎn)的探針式SURFCOM NEX 001 SD-12）表面粗糙度儀對(duì)GFRP 已加工表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩因素五水平全因子實(shí)驗(yàn)，其中因素為切削速度和進(jìn)給速度，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 GFRP 銑削開(kāi)料加工示意圖

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 銑削參數(shù)對(duì)銑削力影響的分析

2.1.1 銑削力Fx

圖2 所示為x軸方向上的銑削力Fx隨銑削參數(shù)的變化趨勢(shì)，規(guī)律可以總結(jié)為切削速度v從251.20 m/min增加到452.16 m/min 時(shí)，銑削力Fx從126.42 N 減小到57.72 N。當(dāng)切削速度較低時(shí)，銑削力的數(shù)據(jù)分散程度較高，說(shuō)明此時(shí)銑削力的數(shù)值波動(dòng)較大；當(dāng)切削速度達(dá)到410.92 m/min 時(shí)，數(shù)據(jù)集中，F(xiàn)x數(shù)值波動(dòng)低。隨著切削速度的增加，銑削力Fx不僅有著降低的趨勢(shì)，并且數(shù)值更集中，銑削過(guò)程也更加穩(wěn)定。同理，進(jìn)給速度vf從0.1 m/min 增加到0.5 m/min時(shí)，銑削力從41.91 N 增加到147.89 N，并且數(shù)值波動(dòng)增加，銑削過(guò)程穩(wěn)定程度下降[19]。

圖2 銑削力Fx 與銑削參數(shù)的箱線圖

對(duì)銑削力Fx進(jìn)行均值分析，得到銑削參數(shù)對(duì)銑削力Fx影響程度排序（表4）并做等高線圖（圖3）。結(jié)合表4 和圖3，進(jìn)給速度對(duì)于銑削力Fx影響占主導(dǎo)地位，這在等高線圖上有著良好的印證。銑削力Fx最大處的銑削參數(shù)為切削速度251.2 m/min，進(jìn)給速度500 m/min。

圖3 銑削參數(shù)對(duì)銑削力Fx 影響趨勢(shì)的等高線圖

表4 Fx 均值響應(yīng)表

2.1.2 銑削力Fy

圖4 為Y軸方向上的銑削力Fy隨銑削參數(shù)的變化趨勢(shì)，規(guī)律可以總結(jié)為切削速度v從251.20 m/min增加到452.16 m/min 時(shí)，銑削力Fy從106.47 N 減小到60.56 N。這與X方向上的Fx的趨勢(shì)是一致的。相較于Fx，F(xiàn)y的波動(dòng)出現(xiàn)良好的識(shí)別性，特別是隨著切削速度改變時(shí)。

圖4 銑削力Fy 與銑削參數(shù)的箱線圖

同樣對(duì)銑削力Fy進(jìn)行均值分析，得到銑削參數(shù)對(duì)銑削力Fy影響程度排序（表5）并作出等高線圖（圖5）。結(jié)合表5 以及圖5，進(jìn)給速度對(duì)于銑削力Fy影響占主導(dǎo)地位，這在等高線圖上有著良好的印證。規(guī)律與Fx同樣有良好的一致性，因此可以總結(jié)，在GFRP 開(kāi)料銑削中，進(jìn)給速度是影響銑削力最重要的因素。

圖5 銑削參數(shù)對(duì)銑削力Fy 影響趨勢(shì)的等高線圖

表5 Fy 均值響應(yīng)表

使用線性回歸，得到擬合的銑削力經(jīng)驗(yàn)公式如式（1）和（2），同時(shí)根據(jù)模型擬合數(shù)值（表6），銑削力模型決定系數(shù)R2分別為88.25%和93.19%，以銑削力Fx為例，模型可以解釋響應(yīng)變量中88.25%的變異，擬合準(zhǔn)確程度較高。比較兩個(gè)模型，F(xiàn)y擬合程度明顯是優(yōu)于Fx的，這與Y方向上的切削力變化趨勢(shì)更規(guī)律相關(guān)。

表6 銑削力擬合數(shù)值表

2.2 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度影響的分析

圖6 所示為銑削溫度T隨銑削參數(shù)的變化趨勢(shì)，可以總結(jié)為切削速度v從251.20 m/min 增加到452.16 m/min 時(shí)，銑削溫度T從143.06 ℃升高到159.00 ℃；進(jìn)給速度vf從0.1 m/min 增加到0.5 m/min 時(shí)，銑削溫度T從120.90 ℃升高到167.66 ℃。切屑主要形態(tài)為粉末狀，并且開(kāi)料銑削運(yùn)動(dòng)的特性為銑削量大、刀齒接觸時(shí)間長(zhǎng)，更高的轉(zhuǎn)速使得摩擦加劇，導(dǎo)致切削溫度的升高。隨著進(jìn)給速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)刀具加工的材料增加，需要更大的切削力，因此溫度快速升高。同時(shí)注意到雖然隨著切削速度的增加，溫度有升高的趨勢(shì)，但是切削溫度的最大值差距不明顯，這也證實(shí)是高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的切削溫度。

圖6 銑削溫度T 與銑削參數(shù)的箱線圖

對(duì)銑削溫度T進(jìn)行均值分析，得到銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度T影響程度排序（表7）并作出等高線圖（圖7）。結(jié)合表7 和圖7，進(jìn)給速度對(duì)于銑削溫度T影響占主導(dǎo)地位，這在等高線圖上有著良好的印證。結(jié)合上述分析，隨著進(jìn)給速度的增加銑削溫度快速升高的原因是高進(jìn)給速度需要提供更大的切削力，并且隨著高轉(zhuǎn)速的切削進(jìn)程，表現(xiàn)為溫度的快速累積。

圖7 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度T 影響趨勢(shì)的等高線圖

表7 銑削溫度T 均值響應(yīng)表

使用線性回歸，得到擬合的銑削力經(jīng)驗(yàn)公式如公式（3），同時(shí)根據(jù)模型擬合數(shù)值（表8），銑削溫度模型決定系數(shù)R2為85.00%，模型可以解釋響應(yīng)變量中85.00%的變異，擬合準(zhǔn)確程度較高。

表8 銑削溫度擬合數(shù)值表

2.3 銑削參數(shù)對(duì)表面加工粗糙度影響的分析

如圖8 所示為表面粗糙度Ra 隨銑削參數(shù)的變化趨勢(shì)。從中可以總結(jié)出：切削速度v從251.20 m/min 增加到452.16 m/min 時(shí)，表面粗糙度Ra 從0.95 μm 減少到0.83 μm；進(jìn)給速度vf從0.1 m/min 增加到0.5 m/min時(shí)，表面粗糙度Ra 從0.44 μm 增加到1.72 μm。隨著切削速度的增大，GFRP 的切削溫度T隨切削速度的增大而小幅度升高。這使得材料發(fā)生一定的軟化，更容易被切除。GFRP 的銑削力Fx和Fy都逐漸減小，已加工表面材料受到的作用力減小。因此，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。進(jìn)給速度的增大引起切削溫度升高使得材料變軟，但GFRP 的銑削力Fx和Fy都的增大使得已加工表面受到的作用力增大。因此，表面粗糙度隨進(jìn)給速度的增大而增大。

圖8 表面粗糙度Ra 與銑削參數(shù)的箱線圖

對(duì)表面粗糙度Ra 進(jìn)行均值分析，得到銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra 影響程度排序（表9）并作出等高線圖（圖9）。結(jié)合表1 以及圖9，進(jìn)給速度對(duì)于表面粗糙度Ra 影響占主導(dǎo)地位，這在等高線圖上有著良好的印證。結(jié)合上述分析，隨著進(jìn)給速度的增加表面粗糙度Ra 快速增大的原因是高進(jìn)給速度使得已加工表面材料受到的力的作用快速增大。

圖9 銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra 影響趨勢(shì)的等高線圖

表9 表面粗糙度Ra 均值響應(yīng)表

2.4 GFRP 加工表面形貌

為探究GFRP 的表面損傷機(jī)理，在SEM 下觀察GFRP 銑削后的表面形貌，如圖10 所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，GFRP 加工時(shí)表面損傷主要有兩種形式：樹(shù)脂破壞和纖維破壞。如圖10a 所示，在較小的切削速度和進(jìn)給速度下，GFRP 的表面損傷主要是因?yàn)闃?shù)脂被破壞。這是因?yàn)檫@種加工條件下，切削力較小和切削溫度較低，已加工表面受到的熱力耦合作用較小，所以主要是樹(shù)脂被破壞。如圖10b 所示，在較大的進(jìn)給速度下，GFRP 的表面損傷既有樹(shù)脂破壞又有纖維破壞，這是因?yàn)樵诖筮M(jìn)給速度的加工條件下切削力較大和切削溫度較高，已加工表面材料受到的熱力耦合作用較大，所以已加工表面既有樹(shù)脂破壞又有纖維破壞。

圖10 GFRP 已加工表面形貌圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用硬質(zhì)合金刀具對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料進(jìn)行了銑削開(kāi)料加工試驗(yàn)，研究分析了切削速度和進(jìn)給速度對(duì)GFRP 的切削力、切削溫度和加工表面粗糙度的影響，并借助掃描電鏡SEM 分析了GFRP已加工表面損傷機(jī)理，主要結(jié)論如下：

（1）GFRP 銑削開(kāi)料過(guò)程中的銑削力Fx與Fy都隨切削速度的增大而逐漸減小，隨進(jìn)給速度的增大而逐漸增大。進(jìn)給速度對(duì)銑削力Fx和Fy的影響占主導(dǎo)地位。

（2）GFRP 銑削開(kāi)料過(guò)程中的銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸升高，隨進(jìn)給速度的增大而逐漸升高，進(jìn)給速度對(duì)銑削溫度的影響占主導(dǎo)地位。

（3）GFRP 銑削開(kāi)料加工的已加工表面粗糙度隨切削速度的增大而逐漸減小，隨進(jìn)給速度增大而逐漸增大。進(jìn)給速度對(duì)于表面粗糙度的影響占主導(dǎo)地位。GFRP 加工表面損傷主要有兩種形式：樹(shù)脂破壞和纖維破壞。在較小的切削速度和進(jìn)給速度下，GFRP 的表面損傷主要是因?yàn)闃?shù)脂被破壞。在較大的進(jìn)給速度下，GFRP 的表面損傷既有樹(shù)脂破壞又有纖維破壞。