GFRP 銑削開料及破壞機理的研究＊

梁星宇 楊沛琪 伍占文 賈 翀 郭曉磊

（南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037）

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

在制造桌子、凳子、沙發等終端GFRP 家具產品時，開料加工是生產高質量的產品零部件的基礎加工工藝。開料指的是根據工藝、尺寸的要求將板件加工成所需要的幅面規格的過程，其加工質量的好壞對工件后續的加工有著重要的影響[6]。在開料過程中，由于GFRP 是一種各向異性的非均質材料，加工時往往會出現加工表面質量差、加工精度低等問題，這對GFRP 的加工效率和產品質量產生了極大的影響[7,8]。因此，對GFRP 開料加工質量進行研究對提高GFRP 產品質量有著重要意義[9]。

已有的研究表明，已加工表面質量與加工過程中的切削力、切削溫度有著非常重要的關聯性[10-13]。關于GFRP 加工過程中的切削力、切削溫度主要受到加工參數的影響[14-15]。因此，需要對GFRP 銑削開料過程中切削力、切削溫度和表面粗糙度與開料加工參數之間的關系進行研究[15-18]。

鑒于此，本文采用硬質合金柄銑刀對GFRP 進行銑削開料試驗，研究主軸轉速、進給速度對銑削力、銑削溫度以及銑削表面粗糙度的影響，并采用環境掃描電鏡（environmental scanning electron microscope，ESEM）拍攝加工表面的圖像，分析GFRP表面損傷的機理。為GFRP 的開料加工提供理論和實踐指導。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

本研究所采用的試驗材料是由臨安普力電子材料有限公司生產玻璃纖維增強復合材料，其尺寸為140 mm × 8 mm × 6 mm，其主要成分及材料性能見表1。

表1 GFRP 材料成分及性能表

本研究所采用的刀具是賽誠精密工具有限公司提供的硬度高、耐高溫的硬質合金柄銑刀，其工藝參數見表2。

表2 硬質合金刀具的工藝參數

1.2 實驗方法

如圖1 所示，GFRP 的銑削開料試驗是在數控加工中心（MGK01，南興機械有限公司，中國廣州）上進行的，其最大進給速度為50 m/min，最大速度為24 000 r/min，功率在干燥條件下為8.1 kW。試驗的切削力采用Kistler 9257B 壓電晶體測力儀進行采集分析。試驗的切削溫度采用紅外熱成像儀（Thermo Vision A20-M,FLIR Systems Inc.,USA）測量。采用東京精密生產的探針式SURFCOM NEX 001 SD-12）表面粗糙度儀對GFRP 已加工表面的粗糙度進行測量。試驗設計兩因素五水平全因子實驗，其中因素為切削速度和進給速度，詳細實驗方案及結果見表3。

圖1 GFRP 銑削開料加工示意圖

表3 試驗設計及結果

2 結果與討論

2.1 銑削參數對銑削力影響的分析

2.1.1 銑削力Fx

圖2 所示為x軸方向上的銑削力Fx隨銑削參數的變化趨勢，規律可以總結為切削速度v從251.20 m/min增加到452.16 m/min 時，銑削力Fx從126.42 N 減小到57.72 N。當切削速度較低時，銑削力的數據分散程度較高，說明此時銑削力的數值波動較大；當切削速度達到410.92 m/min 時，數據集中，Fx數值波動低。隨著切削速度的增加，銑削力Fx不僅有著降低的趨勢，并且數值更集中，銑削過程也更加穩定。同理，進給速度vf從0.1 m/min 增加到0.5 m/min時，銑削力從41.91 N 增加到147.89 N，并且數值波動增加，銑削過程穩定程度下降[19]。

圖2 銑削力Fx 與銑削參數的箱線圖

對銑削力Fx進行均值分析，得到銑削參數對銑削力Fx影響程度排序（表4）并做等高線圖（圖3）。結合表4 和圖3，進給速度對于銑削力Fx影響占主導地位，這在等高線圖上有著良好的印證。銑削力Fx最大處的銑削參數為切削速度251.2 m/min，進給速度500 m/min。

圖3 銑削參數對銑削力Fx 影響趨勢的等高線圖

表4 Fx 均值響應表

2.1.2 銑削力Fy

圖4 為Y軸方向上的銑削力Fy隨銑削參數的變化趨勢，規律可以總結為切削速度v從251.20 m/min增加到452.16 m/min 時，銑削力Fy從106.47 N 減小到60.56 N。這與X方向上的Fx的趨勢是一致的。相較于Fx，Fy的波動出現良好的識別性，特別是隨著切削速度改變時。

圖4 銑削力Fy 與銑削參數的箱線圖

同樣對銑削力Fy進行均值分析，得到銑削參數對銑削力Fy影響程度排序（表5）并作出等高線圖（圖5）。結合表5 以及圖5，進給速度對于銑削力Fy影響占主導地位，這在等高線圖上有著良好的印證。規律與Fx同樣有良好的一致性，因此可以總結，在GFRP 開料銑削中，進給速度是影響銑削力最重要的因素。

圖5 銑削參數對銑削力Fy 影響趨勢的等高線圖

表5 Fy 均值響應表

使用線性回歸，得到擬合的銑削力經驗公式如式（1）和（2），同時根據模型擬合數值（表6），銑削力模型決定系數R2分別為88.25%和93.19%，以銑削力Fx為例，模型可以解釋響應變量中88.25%的變異，擬合準確程度較高。比較兩個模型，Fy擬合程度明顯是優于Fx的，這與Y方向上的切削力變化趨勢更規律相關。

表6 銑削力擬合數值表

2.2 銑削參數對銑削溫度影響的分析

圖6 所示為銑削溫度T隨銑削參數的變化趨勢，可以總結為切削速度v從251.20 m/min 增加到452.16 m/min 時，銑削溫度T從143.06 ℃升高到159.00 ℃；進給速度vf從0.1 m/min 增加到0.5 m/min 時，銑削溫度T從120.90 ℃升高到167.66 ℃。切屑主要形態為粉末狀，并且開料銑削運動的特性為銑削量大、刀齒接觸時間長，更高的轉速使得摩擦加劇，導致切削溫度的升高。隨著進給速度的增加，單位時間內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。同時注意到雖然隨著切削速度的增加，溫度有升高的趨勢，但是切削溫度的最大值差距不明顯，這也證實是高轉速帶來的切削溫度。

圖6 銑削溫度T 與銑削參數的箱線圖

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

圖7 銑削參數對銑削溫度T 影響趨勢的等高線圖

表7 銑削溫度T 均值響應表

使用線性回歸，得到擬合的銑削力經驗公式如公式（3），同時根據模型擬合數值（表8），銑削溫度模型決定系數R2為85.00%，模型可以解釋響應變量中85.00%的變異，擬合準確程度較高。

表8 銑削溫度擬合數值表

2.3 銑削參數對表面加工粗糙度影響的分析

如圖8 所示為表面粗糙度Ra 隨銑削參數的變化趨勢。從中可以總結出：切削速度v從251.20 m/min 增加到452.16 m/min 時，表面粗糙度Ra 從0.95 μm 減少到0.83 μm；進給速度vf從0.1 m/min 增加到0.5 m/min時，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速的增大而減小。進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，表面粗糙度隨進給速度的增大而增大。

圖8 表面粗糙度Ra 與銑削參數的箱線圖

對表面粗糙度Ra 進行均值分析，得到銑削參數對表面粗糙度Ra 影響程度排序（表9）并作出等高線圖（圖9）。結合表1 以及圖9，進給速度對于表面粗糙度Ra 影響占主導地位，這在等高線圖上有著良好的印證。結合上述分析，隨著進給速度的增加表面粗糙度Ra 快速增大的原因是高進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 銑削參數對表面粗糙度Ra 影響趨勢的等高線圖

表9 表面粗糙度Ra 均值響應表

2.4 GFRP 加工表面形貌

為探究GFRP 的表面損傷機理，在SEM 下觀察GFRP 銑削后的表面形貌，如圖10 所示。從中可以發現，GFRP 加工時表面損傷主要有兩種形式：樹脂破壞和纖維破壞。如圖10a 所示，在較小的切削速度和進給速度下，GFRP 的表面損傷主要是因為樹脂被破壞。這是因為這種加工條件下，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，所以主要是樹脂被破壞。如圖10b 所示，在較大的進給速度下，GFRP 的表面損傷既有樹脂破壞又有纖維破壞，這是因為在大進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脂破壞又有纖維破壞。

圖10 GFRP 已加工表面形貌圖

3 結語

本文采用硬質合金刀具對玻璃纖維增強復合塑料進行了銑削開料加工試驗，研究分析了切削速度和進給速度對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已加工表面損傷機理，主要結論如下：

（1）GFRP 銑削開料過程中的銑削力Fx與Fy都隨切削速度的增大而逐漸減小，隨進給速度的增大而逐漸增大。進給速度對銑削力Fx和Fy的影響占主導地位。

（2）GFRP 銑削開料過程中的銑削溫度隨主軸轉速的增大而逐漸升高，隨進給速度的增大而逐漸升高，進給速度對銑削溫度的影響占主導地位。

（3）GFRP 銑削開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，隨進給速度增大而逐漸增大。進給速度對于表面粗糙度的影響占主導地位。GFRP 加工表面損傷主要有兩種形式：樹脂破壞和纖維破壞。在較小的切削速度和進給速度下，GFRP 的表面損傷主要是因為樹脂被破壞。在較大的進給速度下，GFRP 的表面損傷既有樹脂破壞又有纖維破壞。