高效刀具在树脂基玻璃纤维复合材料切削中的应用

摘要：针对树脂基玻璃纤维复合材料的特点，通过采用不同刀具的切削对比试验，选择出适合切削树脂基玻璃纤维复合材料的刀具，确定了切削工艺参数，稳定了切削工艺，提高了生产效率及被切削件的质量。
      以树脂为基体的玻璃纤维复合材料具有比强度和比刚度高、良好的抗疲劳性、独特的可设计性等优良特性，已被广泛应用于航空航天、国防军工及民用等诸多领域。
1、树脂基玻璃纤维复合材料的切削特性
      树脂基玻璃纤维复合材料由硬的玻璃纤维和软的树脂基体组成，缠绕成形的树脂基玻璃纤维复合材料，其玻璃纤维的含量达80%左右，这种材料的强度和硬度都大于45#钢和40Cr钢，而密度只有大约2.2g/cm 。
      在树脂基玻璃纤维复合材料的切削过程中，影响刀具寿命的因素同金属材料切削一样，主要有切削热、摩擦和刃口的切削压力，而树脂基玻璃纤维复合材料中硬的质点玻璃纤维，类似于砂轮中的磨料，对刀具进行研磨，使刀具磨损加快，切削条件恶化。
      树脂基玻璃纤维复合材料的切削加工性比金属材料差，在金属材料的切削过程中所产生的切削热80％左右随切屑排走，10％左右传给切削工件，只有10％左右传给刀具本身(见图1)。而在树脂基玻璃纤维复合材料切削加工中，玻璃纤维复合材料硬度高且是热的不良导体，切削过程中产生的热量难以在加工中随切屑排除，大部分传给了刀具本身，使切削区温度迅速上升，加速刀具的磨损。刀具磨损后，切削力增大使切削热迅速增大，由于树脂基玻璃纤维复合材料纤维的各向异性及层间剪切强度低的特性，使材料在切削力的作用下容易产生分层、毛刺、撕裂、烧伤等缺陷，加工质量难以保证。因此，根据树脂增强玻璃纤维复合材料的特点，为达到良好的切削效果，选择理想的刀具、确定合理的工艺参数是至关重要的。

图1:金属切削时热量分布情况

2、树脂基玻璃纤维复合材料切削刀具的选择使用情况
      某玻璃纤维缠绕管类零件，长1300mm，外圆为Ф130mm，为满足与其他零件的配合要求，需要对外圆进行切削加工，由于该零件的特殊要求，切削加工中不能使用冷却液，这就给切削加工带来了难度。
2.1硬质合金刀具的使用情况
      根据该零件的特点，我们最初选用的是可转位硬质合金刀具，主要从耐热性和耐磨性来考虑，选用的刀具为刀尖角为80°的等边不等角六边形、0°后角、6°前角、单面C形断屑槽，型号为WNUM130716RC5刀片，材质为YT758，这种刀具的特点是耐热性和抗氧化性好，高温硬度高，耐磨性好，适用于加工高硬度材质的零件。在用这种刀片切削该玻璃纤维复合材料零件的外圆时，刀具磨损严重、零件外表面粗糙有撕裂痕迹。切削过程中需将刀头拆下磨刀才能继续切削，刀具手工刃磨一次只能车削一刀，这样每切削一个零件需要磨刀、对刀2~3次，如果刀具不锋利时进行切削，则会造成工件外表面有撕裂痕迹（见图2），甚至产生过多热量烧伤工件，致使工件报废。根据这种情况，在切削时分成粗、精两次加工，分别由粗、精两把刀两次装夹对刀加工而成，在粗加工时切削参数采用切深ap=0.8mm，Vc＝130m/min，f=0.61mm/r，快速去处余量；在精加工时切削参数采用切深ap=0.3mm，Vc＝130m/min，f=0.3mm/r，精加工后用150#细砂布抛光到尺寸。用这种刀具切削生产效率低，每班加工7～8件，操作者的劳动强度大，对操作者的要求也高，质量也不稳定，不能满足产品的批量生产要求。

图2 切削撕裂的照片

2.2涂层刀具的试用情况
      针对于上述情况，经过了解和对比，我们选用了山特维克公司生产的刀尖角为60°的等边三角形、0°后角、刀具型号为TNMX 160408-WM的刀片，材质为GC4015，这种刀具表面为金黄色TiN涂层的硬质合金，可以降低刀片表面的摩擦系数，增加刀具的耐磨性。在以相同的切削参数进行加工时，加工完一刀后发现刀片涂层已严重磨损（如图3），零件外表粗糙并有撕裂痕，显然这种刀具不能满足树脂基玻璃纤维复合材料的切削要求。

图3:刀片涂层磨损照片

2.3高效刀具的选用情况
2.3.1采用高硬度刀具试验证明，用高速工具钢、普通硬质合金刀具加工树脂基玻璃纤维复合材料时，刀具磨损极为严重，加工效率低下，因而必须选用更高硬度的刀具。聚晶金刚石（PCD）是在高温高压下由一层人造的金刚石微粉加溶剂和催化剂聚合而成的多晶体材料。以硬质合金为基体结合的镶尖刀片具有良好的抗冲击、抗弯强度和抗振性能。与硬质合金相比，其硬度高3～4倍，耐磨性和寿命提高100余倍，同时刀具的刃口非常锋利，摩擦系数小，适合有色金属和非金属材料的加工。结合以上特点，我们选用了山特维克公司生产的刀尖角为60°的等边三角形、7°后角、刀具型号为TCMW 16T308-FP、材质为CD10的聚晶金刚石刀片。
2.3.2切削工艺参数的选定
      聚晶金刚石刀片是一种新型高效刀具，在使用参数推荐手册中，列出有色金属的推荐切削参数，对于树脂基玻璃纤维复合材料的切削，手册中没有提及，其它的切削手册中也没有涉及到此类材料加工切削参数，所以在实际的加工过程中，我们根据加工经验，结合硬质合金时切削参数，进行了一系列的工艺试验，最后针对这种零件和材料特点，确定了一个工艺参数为切深ap=1.1mm，Vc＝110~130m/min，f=0.25~0.35mm/r。实行切削余量一次去除，减少一次走刀。经过多次切削试验表明，刀具十分稳定，平均每个刀尖可加工150件零件，连续加工150件零件没有磨刀，刀尖略有磨损，所加工的零件表面光洁度良好（如图4），加工后的零件光洁度不用砂布抛光就能达到要求，大大减轻了操作者的劳动强度，同时刃磨刀具、抛光等辅助时间也大大减少，降低了加工成本。用该刀具每班可加工零件20件，生产效率提高1倍多，所加工的零件质量大大提高，稳定了切削工艺。

图4 金刚石刀具切削良好光洁度照片

3、结论
      在树脂基玻璃纤维复合材料的切削过程中，使用聚晶金刚石刀片，并按合理的切削工艺参数进行加工，可以稳定树脂基玻璃纤维复合材料的切削工艺，提高加工效率，降低了加工成本，提高零件的加工质量。