高速銑削天然大理石切削特性研究*

宗宇鵬，吳玉厚，趙德宏

(沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽　110168)

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高速銑削天然大理石切削特性研究*

宗宇鵬，吳玉厚，趙德宏

(沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽110168)

摘要：為了給大理石材料表面完整性研究提供充分的依據，使大理石材料高速銑削加工參數得到優化。該實驗在不同的切削參數下對大理石試件進行銑削加工，分析了大理石材料的切削機理，采用掃描電鏡觀察加工后大理石試件表面形貌，分析了加工參數的變化對表面質量的影響。發現隨著主軸轉速的提高，加工表面質量不斷提高，但切削深度的增加，使大理石加工表面質量降低。

關鍵詞：高速銑削；加工參數；大理石；表面完整性

0引言

大理石作為建筑裝飾業的主要裝飾材料，因其具有穩定的物理性能與化學性能，用于加工各種型材、板材等。大理石屬于硬脆性材料，材料的硬度高，塑性很小，抗拉強度也很低，在切削加工時，若想獲得理想的加工精度并不是很容易。國內外對脆性材料的切削特性研究較多、起步較早，并歸納總結脆性材料切削機理為三大模型：拉伸斷裂類切削機理模型、剪切斷裂類切削機理模型、拉剪聯合切削機理模型[1]。在國內，沈陽工業大學于曉琳等人采用PCD刀具對干式切削和水溶性冷卻液澆注冷卻的濕式切削兩種切削條件下的高速銑削高體積分數SiCp/Al進行了研究，結果表明，干式切削無論是在工件已加工表面形貌和微觀結構，還是在切屑形成及形貌上都好于濕式切削，兩種切削條件下均可獲得較理想的表面粗糙度[2]；西北工業大學姚倡鋒等人對高速銑削TC11鈦合金的表面粗糙度與表面形貌進行了實驗研究，研究表明：采用硬質合金刀具材料加工TC11鈦合金時，選用前角為80的刀具時表面粗糙度小，銑削速度優選從314m/min~377m/min范圍，每齒進給量優選從0.03mm/z~0.05mm/z范圍[4]。在國外，Cha-Haron對車削鈦合金的表面完整性進行了研究，結果表明已加工表面存在微觀組織的變化和顯微硬度的增加，當刀具長時間處于磨損狀態加工時，已加工表面存在嚴重的塑性變形和硬化[11]。雖然國內外在脆性材料加工方面取得了一些關鍵的研究成果，但目前為止，針對國內外對大理石切削機理的研究還是很少。本文研究以高速銑削天然大理石為例，通過加工對比實驗，分析了基于涂層刀具銑削天然大理石工件的切削機理，及不同銑削參數加工的大理石試件表面形貌特征的變化規律，給大理石材料表面完整性研究提供充分的依據。

1大理石斷裂機理分析

由于大理石本身就是一種有眾多缺陷的脆性多晶體材料，所以在大理石加工過程中破碎區域前端會出現許多隨機方向的裂紋源，在線性斷裂力學中，應變能釋放率G和應力強度因子K是判斷裂紋發生擴展的重要判據，根據轉換定律和能量守恒定律，當裂紋擴展單位長度時所釋放的能量(即應變能釋放率G)超過裂紋擴展單位長度時所需要的能量(即裂紋擴展阻力Gc)時，裂紋將擴展，基本條件是：

G>Gc

但是上述裂紋擴展條件在實際使用時不夠方便，因此常采用裂紋前端的應力場來表示裂紋擴展條件，在平面應變條件下，裂紋擴展的條件為：

KI≥KIC

式中，KI為應力強度因子；KI為平面應變條件下的臨界值。

切削材料在外力的作用下，裂紋尖端附近應力強度因子達到其臨界值時，裂紋就會發生失穩擴展，從而導致被切削區材料的斷裂。

在大理石高速銑削過程中，刀刃附近材料內部的裂紋向刀刃的前下方擴展，裂紋擴展過程為1-2-3-4，如圖1所示，最終穿過自由表面而結束。

圖1　大理石裂紋擴展過程

階段1發生在刀刃附近的材料內部，是由于較大的張應力產生裂紋和裂紋的擴展過程(G>Gc)。裂紋擴展的速度比刀具前進的速度要快得多，在達到某一距離后停止。對于大理石這類硬脆材料，裂紋產生的位置取決于刀刃前方材料內的應力分布狀況，多數位于刀刃前下方的區域。階段2是一度停止的裂紋的再擴展過程。再擴展的最初方向取決于裂紋前端特定的應力場，一般在一度停止的裂紋延長線下方，之后就沿著再擴展之前的最小主應力方向進行。在再擴展過程中，刀具前刀面前方的一部分材料(A部)突然破碎，由于特定應力場發生改變，裂紋開始向上轉折進入第3階段，之后沿著裂紋轉折前的最小主應力方向繼續擴展。裂紋上部(B部)的材料破碎，裂紋進入第4階段。此時，由特定的應力場確定的擴展方向及最小主應力方向都指向前上方，裂紋穿過上部的自由表面，形成粒狀、片狀切屑。

在銑削加工時，裂紋的擴展過程從1開始到4結束，但不一定要經過2、3階段。從1、2到4或從1突然轉向4都是可能的。如果裂紋上方的材料能夠早一些去除，裂紋就不會再向下方擴展，就可以得到較好的加工表面；如果裂紋向前下方的擴展最初就不曾發生，或者即使發生也非常短暫，那么就可以獲得更好的加工表面。

2大理石切削機理分析

利用CVD涂層刀具切削天然大理石時，可以觀察到被切削大理石在刀刃擠壓作用下，在刀刃附近產生裂紋。裂紋先向前下方擴展，深度超過切削深度；然后一邊前進一邊向上方擴展，最后穿過上方自由表面，這時，形成較大的薄片切屑，并在表面上留下溝痕，這種情況稱為大規模擠裂；如果在這種狀態下繼續切削實際切除的只是崩碎后的殘留部分，這時發生小規模擠裂，生成切削表面較為平滑的部分，如圖2所示，在小規模擠裂發生之后，刀刃前方的材料就形成與切削表面近似垂直的形狀，切削深度再次增大，切削該部分材料時，將再次發生大規模擠裂。大規模擠裂與小規模擠裂交替進行，工件材料就這樣被切除，加工表面形成，如圖3所示，采用日立S4800掃描電鏡高倍觀察加工表面后可以發現，在刀軌旁邊存在大量分子團，這是由于較大的薄片切屑被擠裂形成的分子顆粒聚集在一起。

圖2　大理石材料的去除過程

圖3　大理石切屑形貌

大規模擠裂和小規模擠裂的交替過程也可用四個階段來描述：

(1)大規模擠裂階段：在該階段發生大塊破碎切除，形成片狀或顆粒狀切屑，同時在加工表面上形成大而深的凹坑。

(2)空切階段：刀具在大凹坑上方行進，與材料不接觸，相當于空切。

(3)小規模擠裂階段(微小塊破碎切除)：刀具繼續前進，與帶有斜坡的坑壁接觸，進一步切削。由于實際切厚很小，只發生小規模擠裂和微小塊破碎切除，形成粉末狀切屑，在加工表面上形成很淺的凹坑。

(4)小規模擠裂階段(次小塊破碎切除)：由于坑壁呈斜坡狀，進一步切削，切削厚度逐漸增加，切離的材料塊較前一階段增大，在加工表面上形成的凹坑也較前一階段略大略深。

(3)、(4)階段也可進行多次，直至下一次大規模擠裂發生。

一般來說，小規模擠裂發生在切削深度較小的情況下，或發生在大規模擠裂之后切削深度變小的情況下。此時，刀具前方的材料發生細微的破碎，形成粒狀或粉末狀的切屑。發生破碎的邊界，與刀具前刀面前方材料的最大剪應力面的位置相一致。因此，可以認為破碎是由于剪應力引起的。另外，由于刀刃后方的材料內存在有拉應力，可能會產生與表面大體相垂直的裂紋。

3實驗分析

3.1試驗條件

機床：異型石材車銑復合數控加工中心，日立S4800掃描電鏡，刀具采用直徑為6mm的CVD球頭刀，工件材質：試驗采用天然大理石，形狀為環形，其中內徑尺寸50，外徑尺寸100，如圖1所示，吸水率為0.16%、體積密度為2800kg/、抗彎強度10.3MPa、抗壓強度1072MPa，冷卻方式：外部水冷。天然大理石的主要成分如表1所示。

(a)日立S4800掃描電鏡　　　　(b)HTM50200數控加工中心

(c)大理石試件

成分質量分數方解石90%白云石5%蛇紋石2%石灰石1%其他2%

3.2實驗方案

徑向切寬ad=10mm，軸向切深ap=2、4、6、8(mm)，主軸轉速n=2000、4000、6000、8000(r/min)，每齒進給量fz=0.05mm/z。

將天然大理石試件在不同的工藝參數組合下沿內孔壁進行圓周銑削(減小軸向力)，把加工后的試件表面用水刀切下來，經過除塵、干燥后用SEM掃描電鏡觀測表面形貌。

3.3銑削工件表面形貌分析

圖5為大理石材料已加工表面形貌的高倍SEM照片，通過觀察加工表面能夠發現，加工后工件表面產生表面紋理，它是工件與銑刀相對運動后最終形成的表面形貌，清楚地映射出了銑刀切削刃的運動軌跡。從圖易看出，工件表面上復刻了刀具切削刃形狀，在刀具的切削軌跡上分布著沿切削運動方向細小的溝槽，其的產生有兩個方面的原因:一是刀具磨損表面上粗糙溝槽在工件切削表面上的復刻，二是刀具表面上硬質點對工件切削表面的犁耕。犁壟不但影響到已加工表面粗糙度，而且還反作用于刀具表面，使附加溝槽產生在刀具表面上，使刀具磨損加劇，形成惡性循環。已加工表面上存在著顆粒脫落留下的不規則凹坑，加工中，有些顆粒破碎，另一些碎屑拔出形成凹陷，有些顆粒被刀具推擠在加工表面耕犁形成犁溝，這些顆粒可能脫落或被刀具壓入表面，產生上述現象是由于在高速切削過程中，材料受到強烈的擠壓和摩擦，粘結相發生塑性變形，表層晶粒間的某些粘結相被擠出，隨著粘結相的流失，破壞了穩定的骨架，使某些顆粒不斷拔出，晶粒脫落和相擠出使加工表面的微觀結構呈現孔洞。

圖5　大理石表面形貌高倍SEM照片

圖6為不同轉速銑削表面處放大50倍的表面形貌。能夠發現轉速從n=2000r/min至變化，切削深度(ap=2mm)和進給速度恒定時銑削表面同一區域的表面加工質量隨著轉速的增加呈減小趨勢，如圖4所示。切削深度從ap=2mm至ap=8mm變化時的表面加工質量整體上呈下降趨勢。

在切削過程中，傳遞給工件的熱量與切削力的綜合作用直接影響著工件的表面加工質量。一方面，高速銑削時，隨著轉速的升高，切削功率增加，單位時間產生的熱量相應地增加，因此切削溫度提高，軟化了切屑底層，形成了很薄的微熔層，從而抑制加工表層材料的粘著和脫落，導致表面在反復碾壓作用下趨于光滑，刀具與切屑的摩擦系數降低，這時切屑變形時間減少，也導致切屑變形系數降低，因而，切削力減小，減少了粘結相的塑性變形，使得晶粒牢固緊湊，減少了晶粒的脫落、撥出，不僅減少了凹坑的產生，而且減少了晶粒對加工表面的耕犁；另一方面，由于切削速度增大時基體材料應變率增大，基體還來不及變形，顆粒就被切斷而不是拔出，因此減少了凹坑和裂紋的產生；此外，由于轉速的增加，切屑去除速度加快，大部分熱量被切屑帶走，所以加工后表面殘余應力降低，減少了裂紋的產生。如前所述，高速銑削過程中，隨著轉速的提高，傳遞給工件的熱量作用與切削力持續削弱，零件表面光潔度也隨之降低。

n=2000r/min　　　　　　　　　　　n=4000r/min

n=6000r/min　　　　　　　　　　　n=8000r/min

隨著切削深度的增加，在進給量恒定的前提下，切削面積增大，切削力增加，加劇了刀具與工件表面的摩擦，粘結相發生嚴重的變形，導致晶粒劇烈的脫落、拔出，產生了較多的凹坑與裂紋，加工表面由耕犁所產生的犁溝也增加，因此表面光潔度降低。

4結束語

(1)高速銑削大理石材料時，大規模擠裂和小規

模擠裂交替進行。

(2)在試驗參數范圍內，轉速從2000r/min至8000r/min，銑削表面粗加工質量呈下降趨勢，切削深度從ap=2mm至ap=8mm變化時的表面加工質量整體上呈下降趨勢。

(3)切削深度的增加導致切削力的增加，而切削速度的增加是切削力降低。

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(編輯李秀敏)

Study on Natural Marble Cutting Characteristics under High-speed Milling

ZONG Yu-peng,WU Yu-hou,ZHAO De-hong

(School of Mechanic Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China)

Abstract：To provide the research of surface integrity of marble material with adequate basis,and make the high speed milling parameters of marble material optimized.this experiment mill the marble specimen under different cutting parameters,analyze the cutting mechanism of marble material, obsever proces-sed marble specimen surface morphology by SEM,and analyze the influence of processing parameter change on the surface quality. Founding that with the increase of spindle speed, the processing surface quality was enhanced unceasingly, but with the increase of cutting depth, the marble processing surface quality was becoming low.

Key words：high-speed milling; machining parameters; marber; surface intergrity

中圖分類號：TH166;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：宗宇鵬(1990—)，男，遼寧建平縣人，沈陽建筑大學碩士研究生，研究方向為數字化制造技術與應用，(E-mail)1290975102@qq.com；吳玉厚(1955—)，遼寧海城人，男，沈陽建筑大學教授，博士生導師，研究方向為精密加工技術、數控裝備及技術，(E-mail)wuyh@sjzu.edu.cn。

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375317)；遼寧省自然科學基金項目(2014020069)；教育部創新團隊計劃(ITR1160)

收稿日期：2015-05-23；修回日期：2015-06-24

文章編號：1001-2265(2016)03-0033-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.009