玻璃纤维增强复合材料的机械切割性能研究

郑彦

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024）

玻璃纤维增强复合材料的机械切割性能研究

Research on the Mechanical cutting performance of glass f ber reinforced composites

郑彦

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024）

本文利用单因素法研究了玻璃纤维增强复合材料的机械切割性能，主要测试切削参数对切削力的影响，得出切削参数之间存在的必然关系。提出切削参数关系因子，同时在低速切割过程中对切削参数关系因子的临界值进行了设定，对玻璃纤维增强复合材料的加工工艺参数进行取值，以供研究及加工参考。

玻璃纤维；切削参数；复合材料

玻璃纤维增强复合材料的制造过程中，制品成型后需要进行机械加工，以符合装配和连接的精度标准［1］。机械加工精度及表面质量影响着复合材料构件的可靠性与使用性能，而复合材料加工工艺理论研究也成为备受关注的重要课题。研究材料的机械切割性能，对避免切割面拉毛、摩擦烧焦等现象的发生具有重要意义。

1 实验研究

1.1 切割方案

采用立卧复合铣床X6532进行切割试验。试验增强材料为高强玻璃纤维布，基体材料为MFE—2乙烯基酯树脂。手工铺层制备试件，纤维含量为50%；试件尺寸为4.3 mm×70 mm×50 mm。试验加工如图1所示，工作台以进给量f带动试件沿X方向进行移动，形成切割。改变切削参数，获取切削力Fx和Fy，利用显微镜对切割后材料的加工表面及C面毛刺隆起情况进行观察，评价切削参数对加工缺陷产生的影响，分析切削参数间的关系。

1.2 切割方式

采用不对称顺切方式进行切割，切割过程中，刀具旋转与工件进给方向一致。从某一点开始切入工件，材料最上层受向下压的切割分力的影响，纤维材料因预拉应力而被切断，避免了纤维缠绕隆起问题的发生。而加工边缘C面由于没有垫板的支撑，切割时会产生毛刺隆起现象。

图1 试验加工图

1.3 质量评定

高速切割过程中，砂轮与工件的高速摩擦使材料的加工表面产生切削热，容易出现摩擦烧焦及拉毛等问题，对加工表面强度的影响较大；低速切割过程中，材料来不及被切断的情况下容易被强行拉断，产生毛刺隆起及分层等问题，对加工表面强度及质量造成一定影响［2］。所以，需要对合理的切削参数进行设置，以避免上述问题的发生。试验以试件边缘C面毛刺隆起的大小作为指标对试件加工表面质量进行评定。

2 结果

2.1 进给量的影响

采用单因素法［3］，设置转速为1 600 r/min，改变进给量f，对切削力Fx和Fy进行测试。试验结果显示：切削力Fx和Fy随着进给量f的增大而增加，Fy呈线性增加，Fx以进给量f 360 mm/min为界限，之前变化趋势缓慢，之后较大增加。从进给量为360 mm/min开始，试件边缘C面毛刺隆起现象比较明显，加工过程中出现振动现象；进给量越大，毛刺越大，夹具的振动就越大。对工件的进给速度进行增加，砂轮磨粒的切削厚度增加，随之切削力逐渐增加。因此，进给量的设定不应过大。

2.2 转速的影响

采用单因素法，设置进给量为160 mm/min，改变转速，对切削力Fx和Fy进行测试。试验结果显示：切削力随着转速的增加而减小，转速逐渐增加，单位时间内进行切割的总磨粒数随之增多，影响每颗磨粒的切割厚度逐渐变小，最终导致切削力变小［4］。转速≤750 r/min时，出现周期状大毛刺，同时切割时出现振动。当进给量为160 mm/min、转速为620 r/min时，利用显微镜对C面毛刺隆起的形貌和对应的切割力采集界面进行观察。结果显示x和y向力表现为间歇状变化，刀具进行间断切削，产生频率的冲击较高，形成的力为急剧增长。较低转速时，刀具切割纤维比较困难，且纤维容易被拉出基体，观察C面显示纤维被呈束拉断。

3 分析

分析实验结果，可知顺利完成切割，必需确保进给速度与转速之间满足一定的关系。定义R为切削参数关系因子，其表示砂轮转动一圈试件所移动的距离为：R=进给量/转速。

进给量影像中，以R=360/1600=0.225 mm/r为临界点；转速影响中，以R=160/750=0.21 mm/r为临界点。当R分别小于此数值时，切削状况就处于良好状态，不会出现明显的毛刺现象，且切割过程比较稳定。为消除进给量和转速设置的偏差及砂轮圆度和测力系统的偏差，取平均值设定临界值RL=0.217，R小于0.217时，切割过程会较为顺利。本实验砂轮直径D为40 mm，由于切割过程与纤维强度、含量及砂轮状况有一定联系，基于上述试验的通用性，对“R=进给量/转速”一式进行修正，得：

上述算式中，K1、K2、K3分别表示为纤维含量系数、强度系数及砂轮状况系数；纤维含量大于50%时，K1＞1；纤维强度大于高强玻纤强度时，K2＞1；本实验砂轮粒度为150#。对于同样的砂轮和试件而言，设定砂轮直径为30 mm时，K1、K2、K3均为1，此时RL=0.162为临界值，切割时应以R＜0.162来取值。除考虑RL外，转速的取值不应过大。转速越高，影响切削温度升高，基体容易熔化粘在刀具上，对切割产生一定影响。为确保切割表面质量，进给量的设定不应过大。

4 结语

纤维增强复合材料构件制品成型后需要进行切割和修边的机械加工，机械切割过程中，复合材料容易出现抽丝、摩擦烧焦、拉毛及隆起等问题，对制品加工表面质量的影响较大。因此，复合材料机械切割性能的研究十分必要。本文对玻璃纤维增强复合材料的机械切割性能进行研究，得出如下结论：切割力随转速的增大而减小，随进给量的增加而增加；选取切削参数时，转速的设定不宜过大，否则工件表面容易烧蚀；进给量的设定不宜过大，否则加工表面的粗糙度会受到影响。对转速和进给量进行选取，需要同时兼顾切割效率和切割质量。

［1］ 王俊，刘伟庆，胡世俊等. U型截面GFRP-泡桐木夹层板抗弯性能研究［J］. 建筑材料学报，2014，17（2）：361～368.

［2］ 王晓璐，查晓雄. 高温下GFRP筋力学性能的试验研究［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2011，39（9）：75～81.

［3］ 张秀丽，王栋，张全国，等. 玻璃纤维增强复合材料的干式磨削加工技术研究［J］. 材料导报，2013，27（18）：129～132.

［4］ 熊慧中，单炜，王平等. 玻璃纤维增强复合材料在轻质人行天桥上的应用［J］. 玻璃钢/复合材料，2014，10（5）：64～68.

TB332

1009-797X （2015） 16-0005-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.002

郑彦（1987-），男，太原理工大学硕士研究生，控制理论与控制工程专业。

2015-06-27