高效刀具在樹脂基玻璃纖維復合材料切削中的運用

王兆慧 常 成 吳偉萍

（哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

玻璃纖維復合材料的基體為樹脂，其不僅具有良好的剛度與強度，還具有一定的抗疲勞特性，具有較為獨特的可設計性，該材料在航空航天、國防以及民用領域得到了良好的應用。然而由于該材料難以實現切割，因此有必要對高效刀具在樹脂基玻璃纖維復合材料切削中的應用展開探討。

1 樹脂基玻璃纖維復合材料的切削特性

樹脂基玻璃纖維復合材料由兩部分組成，一是硬度較高的玻璃纖維，二是較為柔軟的樹脂基體，該材料由纏繞方法制成。樹脂基玻璃纖維復合材料的強度較高且鋼度值超過了45 鋼，同時其密底相對較低。在切削過程當中，由于樹脂基玻璃纖維復合材料硬度較大，會對刀具產生極為嚴重的磨損。與其他金屬材料的切削相同，切削熱量與摩擦力是影響刀具壽命的主要因素，同時刃口的切削壓力也會對刀具的使用壽命產生影響。由于樹脂基玻璃纖維復合材料中含有的質點玻璃纖維硬度較高，會加速刀具的磨損，進而影響切削效果。

2 刀具選擇要點分析

2.1 刀具材料

與工具鋼相同，硬質合金材料與高速鋼的硬度較高，并且耐磨性能良好，在實際應用中可以對振動與沖擊進行良好的緩沖，基于此，其在刀具制作中應用較為廣泛，其中，除了高速鋼以外，硬質合金材料的應用最多。近年來，涂層刀具不斷誕生與發展，應用空間極為廣闊，此刀具是以高速鋼或硬質合金材料作為基體，并在其外面涂上一層較薄的具有抗磨損與耐高溫特性的化合物。在材料切削過程中，涂層作為刀具與材料接觸的中間介質，可以降低對刀具的磨損，進而延長刀具的使用壽命。玻璃纖維復合材料具有硬度高的特點，然而其不具備良好的散熱性能，高熱量會加劇刀具的磨損情況，基于此，在切割樹脂基玻璃纖維復合材料時，可采用抗高溫、硬度較高且耐磨性良好的材料作為刀具材料。

2.2 刀具幾何參數

刀具的幾何參數包含前角與后角，此外還要對主偏角以及副偏角進行考量。

2.2.1 前角參數

刀具的幾何參數會對刀具的切削性能產生影響，是決定切削效果的重要因素。作為刀具最為關鍵的角度，前角越大，切削刀刃將會更加鋒利，同時也不會出現較為明顯的切削變形現象。同時，其切削力相對較小，切削溫度也并不高，不會對刀具產生嚴重磨損，表面加工的粗糙度也相對較小。然而前角過大會明顯降低切削刀刃的強度，由于切屑具有抗斷性的特點，切削過程中無法及時消除熱量，因此切削溫度會不斷升高，進而增強對刀具的磨損，刀具的使用壽命會大大縮短。在前角參數設定時，必須將工件材料的特性納入考量，在進行塑性金屬材料進行加工時可增大前角，對脆性材料加工時則可適當降低前角。也就是說，材料的硬度及強度值與前角參數成反比，因此在對玻璃纖維復合材料加工時，應選擇前角較小的刀具進行切削。

2.2.2 后角參數

切削效果的另一影響因素是刀具的后角。在后角較大時，刀具的后刀面不會與工件之間產生較大的摩擦，切削熱量也不高。后角越大，切削刀刃越鋒利，刀削表現的粗糙度也相對較低。然而后角過大會對切削刀刃的強度產生影響，甚至會導致崩刃。基于此，刀具的刀刃強度是由后角決定的，在刀刃強度適合時，前角較大切割效果越好。在對樹脂基玻璃纖維復合材料進行切削時應選擇后角較大的刀具。

2.2.3 主偏角與副偏角

主偏角與副偏角越小，切削刀刃的強度值越高，并且具備更好的散熱能力，可獲得相對較小的表面粗糙度，然而主副偏角過小會導致背向力的提升，工件或刀桿會出現變形問題，也會出現工藝系統振動的情況。在進行強度與硬度較高的材料加工時，選擇主偏角較小的刀具，可以延長刀具的使用壽命。因此，在進行硬度較高的玻璃纖維復合材料切割時，所選用的刀具的主偏角與副偏角應相對較小。

3 樹脂基玻璃纖維復合材料切削刀具的選用情況分析

選取長與外徑分別為1300 與φ130mm 的玻璃纖維纏繞管零件進行切削試驗，對其外圓進行切削。

3.1 硬質合金刀具的試用

首先對該零件的特點進行分析，選用硬質合金刀具進行切削試驗，為了增強刀具的抗高溫與抗磨損性能，選擇800刀尖角、后角與前角均為0o的等邊不等角六邊形刀具進行切割，該刀具具有單面C 形斷屑槽，由YT758 材質制成。此種刀具具有良好的抗高溫特性，也具備極佳的抗氧化性能，具有較高的硬度與抗磨性，對高硬度材料的零件加工較為適用。選用此刀片進行試驗零件的外圓切削時，出現了嚴重的刀具磨損現象，零件外表面粗糙現象較為明顯。切削時必須不斷進行磨刃，每磨一次只能切削一次，如進行多次切削會導致零件外表現會留有明顯的撕裂印跡，同時會產生大量熱量進而導致工件的損毀。運用此種刀具進行切削，切削效率相對較低，切削工人的工作量較高，要求操作者具備較高的技能，切削質量不可控，無法實現量產。

3.2 涂層刀具的試用

結合硬質合金刀具的試用情況，再次選用涂層刀具進行試驗。該刀具由山特維克公司生產，為600刀尖角的等邊三角形刀具，后角為0o，由GC4015 材料制成，此刀具由硬質合金為基體，表面覆蓋了一層金黃色的TiN 涂層，在切削時，刀片的摩擦系數得以有效降低，明顯提升了刀具的耐磨性能。運用此刀具在相同切削參數條件下進行切削，完成后刀片的涂層出現了較為嚴重的磨損情況，零件的外表面也留有明顯的撕裂印跡，因此，此刀具在樹脂基玻璃纖維復合材料切削中實用性并不佳。

3.3 高效刀具的選用

3.3.1 選用高硬度刀具

通過上述試驗發現，在樹脂基玻璃纖維復合材料切削時采用高速鋼以及硬質合金刀具都會產生刀具磨損的現象，難以提升加工效率，因此，應選用硬度更高的刀具進行樹脂基玻璃纖維復合材料的切割。在人造金剛石微粉中加入適量的溶劑以及催化劑，通過高溫與高壓環境而聚合成的多晶體材料即是聚晶金剛石，由此種材料以硬質合金基體并安裝了鑲金刀片而制成的刀具，抗沖擊性良好，且具有較高的抗彎強度，抗振性能也較為理想。此材料比硬質合金的硬度與抗磨性更佳，使用壽命提升了百倍之多，同時，刀具的刃口極為鋒利，不會產生較大的摩擦系數，可應用于有色金屬材料的切削，也可加工非金屬材料。結合上述分析，可選用山特維克公司生產的600刀尖角、后角為70o的等邊三角形刀具，刀片由CDI0 的聚晶金剛石材料制成。

3.3.2 選定切削工藝參數

作為新型高效刀具，聚晶金剛石刀片在進行參數選擇時可參考數據并不多，因此，必須通過加工試驗，以硬質合金切削參數為依據進行工藝試驗，并結合堆件與切割材料的特點而進行最終工藝參數的確定。確定參數的標準是可一次性去除切削余量。通過進行大量的切削試驗后可發現，此刀具具有良好的穩定性，一個刀片可進行150 個零件的加工，切削過程中無需磨刀，刀尖磨損并不嚴重，同時零件的表現粗糙度相對較低，呈現出良好的光潔度，無需再次使用砂布進行拋光，有效降低了操作工人的工作強度，加工時間也得以明顯降低，實現了加工成本的有效控制。運用此刀具進行試驗零件的加工，每班加工量可多達20 件，提高了生產效率，同時零件加工質量也得以顯著提升，實現了切削工藝的穩定。

結束語

在切削樹脂基玻璃纖維復合材料時，選擇高效的聚合金剛石刀片進行切割，并合理進行切削參數的設定，可以有效提高該材料切削的穩定性，可以實現加工效率的顯著提升，減少加工時的材料與時間成本，可加工出質量優質的零件，這對加工企業的經濟效益有明顯的提升效果。