高效刀具在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削中的應(yīng)用

摘要：針對樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的特點，通過采用不同刀具的切削對比試驗，選擇出適合切削樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的刀具，確定了切削工藝參數(shù)，穩(wěn)定了切削工藝，提高了生產(chǎn)效率及被切削件的質(zhì)量。
      以樹脂為基體的玻璃纖維復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、良好的抗疲勞性、獨特的可設(shè)計性等優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工及民用等諸多領(lǐng)域。
1、樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削特性
      樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料由硬的玻璃纖維和軟的樹脂基體組成，纏繞成形的樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料，其玻璃纖維的含量達80%左右，這種材料的強度和硬度都大于45#鋼和40Cr鋼，而密度只有大約2.2g/cm 。
      在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削過程中，影響刀具壽命的因素同金屬材料切削一樣，主要有切削熱、摩擦和刃口的切削壓力，而樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料中硬的質(zhì)點玻璃纖維，類似于砂輪中的磨料，對刀具進行研磨，使刀具磨損加快，切削條件惡化。
      樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削加工性比金屬材料差，在金屬材料的切削過程中所產(chǎn)生的切削熱80％左右隨切屑排走，10％左右傳給切削工件，只有10％左右傳給刀具本身(見圖1)。而在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削加工中，玻璃纖維復(fù)合材料硬度高且是熱的不良導(dǎo)體，切削過程中產(chǎn)生的熱量難以在加工中隨切屑排除，大部分傳給了刀具本身，使切削區(qū)溫度迅速上升，加速刀具的磨損。刀具磨損后，切削力增大使切削熱迅速增大，由于樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料纖維的各向異性及層間剪切強度低的特性，使材料在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂、燒傷等缺陷，加工質(zhì)量難以保證。因此，根據(jù)樹脂增強玻璃纖維復(fù)合材料的特點，為達到良好的切削效果，選擇理想的刀具、確定合理的工藝參數(shù)是至關(guān)重要的。

圖1:金屬切削時熱量分布情況

2、樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料切削刀具的選擇使用情況
      某玻璃纖維纏繞管類零件，長1300mm，外圓為Ф130mm，為滿足與其他零件的配合要求，需要對外圓進行切削加工，由于該零件的特殊要求，切削加工中不能使用冷卻液，這就給切削加工帶來了難度。
2.1硬質(zhì)合金刀具的使用情況
      根據(jù)該零件的特點，我們最初選用的是可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具，主要從耐熱性和耐磨性來考慮，選用的刀具為刀尖角為80°的等邊不等角六邊形、0°后角、6°前角、單面C形斷屑槽，型號為WNUM130716RC5刀片，材質(zhì)為YT758，這種刀具的特點是耐熱性和抗氧化性好，高溫硬度高，耐磨性好，適用于加工高硬度材質(zhì)的零件。在用這種刀片切削該玻璃纖維復(fù)合材料零件的外圓時，刀具磨損嚴重、零件外表面粗糙有撕裂痕跡。切削過程中需將刀頭拆下磨刀才能繼續(xù)切削，刀具手工刃磨一次只能車削一刀，這樣每切削一個零件需要磨刀、對刀2~3次，如果刀具不鋒利時進行切削，則會造成工件外表面有撕裂痕跡（見圖2），甚至產(chǎn)生過多熱量燒傷工件，致使工件報廢。根據(jù)這種情況，在切削時分成粗、精兩次加工，分別由粗、精兩把刀兩次裝夾對刀加工而成，在粗加工時切削參數(shù)采用切深ap=0.8mm，Vc＝130m/min，f=0.61mm/r，快速去處余量；在精加工時切削參數(shù)采用切深ap=0.3mm，Vc＝130m/min，f=0.3mm/r，精加工后用150#細砂布拋光到尺寸。用這種刀具切削生產(chǎn)效率低，每班加工7～8件，操作者的勞動強度大，對操作者的要求也高，質(zhì)量也不穩(wěn)定，不能滿足產(chǎn)品的批量生產(chǎn)要求。

圖2 切削撕裂的照片

2.2涂層刀具的試用情況
      針對于上述情況，經(jīng)過了解和對比，我們選用了山特維克公司生產(chǎn)的刀尖角為60°的等邊三角形、0°后角、刀具型號為TNMX 160408-WM的刀片，材質(zhì)為GC4015，這種刀具表面為金黃色TiN涂層的硬質(zhì)合金，可以降低刀片表面的摩擦系數(shù)，增加刀具的耐磨性。在以相同的切削參數(shù)進行加工時，加工完一刀后發(fā)現(xiàn)刀片涂層已嚴重磨損（如圖3），零件外表粗糙并有撕裂痕，顯然這種刀具不能滿足樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削要求。

圖3:刀片涂層磨損照片

2.3高效刀具的選用情況
2.3.1采用高硬度刀具試驗證明，用高速工具鋼、普通硬質(zhì)合金刀具加工樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料時，刀具磨損極為嚴重，加工效率低下，因而必須選用更高硬度的刀具。聚晶金剛石（PCD）是在高溫高壓下由一層人造的金剛石微粉加溶劑和催化劑聚合而成的多晶體材料。以硬質(zhì)合金為基體結(jié)合的鑲尖刀片具有良好的抗沖擊、抗彎強度和抗振性能。與硬質(zhì)合金相比，其硬度高3～4倍，耐磨性和壽命提高100余倍，同時刀具的刃口非常鋒利，摩擦系數(shù)小，適合有色金屬和非金屬材料的加工。結(jié)合以上特點，我們選用了山特維克公司生產(chǎn)的刀尖角為60°的等邊三角形、7°后角、刀具型號為TCMW 16T308-FP、材質(zhì)為CD10的聚晶金剛石刀片。
2.3.2切削工藝參數(shù)的選定
      聚晶金剛石刀片是一種新型高效刀具，在使用參數(shù)推薦手冊中，列出有色金屬的推薦切削參數(shù)，對于樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削，手冊中沒有提及，其它的切削手冊中也沒有涉及到此類材料加工切削參數(shù)，所以在實際的加工過程中，我們根據(jù)加工經(jīng)驗，結(jié)合硬質(zhì)合金時切削參數(shù)，進行了一系列的工藝試驗，最后針對這種零件和材料特點，確定了一個工藝參數(shù)為切深ap=1.1mm，Vc＝110~130m/min，f=0.25~0.35mm/r。實行切削余量一次去除，減少一次走刀。經(jīng)過多次切削試驗表明，刀具十分穩(wěn)定，平均每個刀尖可加工150件零件，連續(xù)加工150件零件沒有磨刀，刀尖略有磨損，所加工的零件表面光潔度良好（如圖4），加工后的零件光潔度不用砂布拋光就能達到要求，大大減輕了操作者的勞動強度，同時刃磨刀具、拋光等輔助時間也大大減少，降低了加工成本。用該刀具每班可加工零件20件，生產(chǎn)效率提高1倍多，所加工的零件質(zhì)量大大提高，穩(wěn)定了切削工藝。

圖4 金剛石刀具切削良好光潔度照片

3、結(jié)論
      在樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削過程中，使用聚晶金剛石刀片，并按合理的切削工藝參數(shù)進行加工，可以穩(wěn)定樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料的切削工藝，提高加工效率，降低了加工成本，提高零件的加工質(zhì)量。