石塑复合材料（SPC）切削性能研究.pdf

摘 要 石塑复合材料（Stone plastic composite，SPC）是由碳酸钙、热塑高分子材料及其它助 剂在搅拌均匀后经高温挤压制成的一种新型复合板材。凭借其优异的理化性能，SPC 被广 泛地用作室内外装修材料，加工成地板、墙板等制品。而SPC 在经过锯、铣、刨等常规的 木工机械及相应的木工刀具加工成地板与墙板等制品的过程中，仍存在切削效率低、切削 表面质量差、产品形位公差大、刀具耐用度低、功率消耗大与生产成本高等不足。但尚未 发现有关SPC 切削性能研究的相关报道。鉴于此，本文针对SPC 切削中存在的问题，以改 善SPC 切削性能为总目标，围绕铣削方式、刀具角度、切削参数等因素，全面系统地研究 了SPC 的切屑形成、切削力、切削热（温度）、切削质量和刀具磨损等切削性能。 在SPC 切屑形成研究方面，采用有限元仿真技术，研究了SPC 材料本构、损伤、切屑 分离、接触摩擦及热传导等问题，并建立SPC 有限元直角自由切削模型；通过高速摄像机、 测力仪、热红外成像仪和表面粗糙度测量仪，进行直角自由切削试验，研究了不同切削参 数和刀具角度下 SPC 的切屑形态，分析了不同切屑形成过程中切削力、切削热（温度）、 应力场及应变场变化的动态特征及周期性规律，明确了 SPC 切屑在热-力耦合作用下的生 成机制，以揭示SPC 切屑形成机理。研究结果表明：SPC 切屑可分带状切屑（连续的带状 或螺旋状）、多角切屑（连续的锯齿状）、块状切屑（断续相连的块状）和颗粒切屑（不规 则的颗粒状）四种基本形态；当不同形态的SPC 切屑形成时，切削力及切削力波动大小依 次为：颗粒切屑＞块状切屑＞多角切屑＞带状切屑，而切削质量及切削稳定性的高低依次 为：带状切屑＞多角切屑＞块状切屑＞颗粒切屑。所以，在SPC 切削过程中，当带状切屑 形成时，其切削性能最优。 根据 SPC 切屑形成的研究结果，选择合理的刀具结构和铣削参数，采用响应曲面法、 二值法和微观分析技术，通过测力仪、热红外成像仪、3D 形貌测量仪、扫描电镜和能谱仪， 进行铣削试验，研究了铣削方式（直齿圆柱铣削、螺旋圆柱铣削和锥形铣削）、刀具角度（前 角、螺旋角和锥角）和铣削参数（主轴转速、进给速度和铣削深度）等因素对响应目标（切 削力、切削温度、切削质量和刀具磨损）的影响；分析了各因素对响应目标的影响显著性 及两两因素的交互作用，并建立相关回归模型；通过观察SPC 已加工表面损伤形貌和刀具 表面磨损形貌，揭示了SPC 表面损伤机理和刀具磨损形式；通过优化铣削参数和刀具角度， 明确了SPC 最优切削参数。研究结果表明： （1）所建立的切削力、切削温度、表面粗糙度的二次多项式回归模型合理可靠，可用 于实际SPC 切削力、切削温度和表面粗糙度的预测及优化； （2 ）直齿铣削和锥形铣削时，SPC 已加工表面呈规律排列、竖直（垂直于刀具进给方 向）的波浪纹状，而SPC 螺旋铣削表面呈规律排列、倾斜的波浪纹状；无论是直齿铣削、 螺旋铣削，还是锥形铣削，表面损伤皆主要集中在波浪纹的波峰及其轴向两侧边部，其损 伤形式皆主要为裂纹和挖切凹坑； （3 ）SPC 铣削时，金刚石刀具的后刀面磨损量随着刀具前角和锥角的增大而呈增大趋 势，而随着刀具螺旋角呈减小趋势；金刚石刀具磨损形貌主要为颗粒脱落、裂纹、崩刃和 i 剥落，其磨损形式为疲劳磨损和粘结磨损； （4 ）SPC 直齿铣削最优切削参数为：10°前角、37.9 m/s 切削速度、0.32mm 每齿进给 量和 0.5 mm 铣削深度；螺旋铣削最优切削参数为：70°螺旋角、51.3 m/s 切削速度、0.24 mm 每齿进给量和1.1 mm 铣削深度；锥形铣削最优切削参数为：75°锥角、46.2 m/s 切削速 度、0.26 mm 每齿进给量和0.5 mm 铣削深度； （5 ）在最优切削参数下，螺旋铣刀的耐用度明显优于直齿铣刀和锥形铣刀，综合考虑 到金刚石刀具的使用寿命、切削稳定性及材料去除率，螺旋铣削可用于SPC 的粗加工，以 提高SPC 的切削效率，降低生产成本；锥形铣削质量明显优于直齿铣削和螺旋铣削，考虑 到SPC 切削质量，锥形铣削可用于SPC 的精修加工，以提高SPC 的产品质量。 本文率先系统地研究了SPC 切削性能，研究成果丰富了切削原理与刀具应用的学科知 识，为SPC 实际切削加工提供一定的理论指导和科学依据。