1 引言

高硅氧玻璃纖維英文名High-Silica glass fiber，屬于特種玻璃纖維。它的SiO₂質量分數為95/100以上，通常是由鈉硼硅酸鹽玻璃纖維經熱酸萃取(瀝濾)，除掉硅以外雜質后經燒結而成。該纖維強度很低，僅為E玻璃纖維的1/10，但是它的耐高溫性能非常好，可在900℃下長期使用，短時間可耐1200℃的高溫，是一種優良的耐燒蝕材料和隔熱材料，已在國防、宇航、玄色及有色金屬熔體凈化過濾方面獲得應用，它是高科技纖維之一。

國內關于高硅氧玻璃纖維復合材料制備工藝方面已經有了較深進的研究，主要研制和生產單位有南京玻璃纖維研究設計院、陜西玻璃纖維總廠、如皋玻璃纖維廠等。但是關于高硅氧玻璃纖維切削加工方面的研究還很少，本文對高硅氧玻璃纖維切削加工中的刀具材料和切削加工參數進行了試驗研究，并通過切削表面的三維形貌圖分析了高硅氧玻璃纖維的表面形貌特征。

2 切削試驗條件

2.1 試驗樣品

試驗中所用的材料是經穿刺加工而成的高硅氧玻璃纖維復合材料， 樣品尺寸為20mm×20mm×10mm，表面由銑削加工而成的。

2.2 表面粗糙度丈量方法

由于高硅氧玻璃纖維復合材料切削表面呈現各向異性，目前針對金屬材料切削表面的丈量方法和評定方法已不能用于高硅氧玻璃纖維切削表面的丈量，因此本實驗采用的是三維形貌丈量方法對其切削表面進行評定。

試驗中所用丈量儀器是Tavlor Hobson公司研制的Talyscan150三維形貌丈量儀；采樣條件分別是：采樣間距5μm，采樣速度3000μm/s，采樣面積8mm×8mm；評定參數是由歐共體資助項目STM4開發的14個三維表征參數中的幅度參數——表面均方根偏差Sq。

3 刀具材料的選取

高硅氧玻璃纖維復合材料的切削加工完全不同于金屬材料的切削加工，它的導熱性比金屬材料小得多，切削加工時的散熱條件極差，切削時產生的大量熱不易被切屑帶走，大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃四周，使刀具急劇磨損，影響表面的切削質量。

本文用四種材料的刀具對高硅氧玻璃纖維復合材料進行了切削對比試驗，它們分別是整體高速鋼立銑刀和三種超硬材料刀具：立方氮化硼CBN、金剛石刀具PCD和鍍層金剛砂刀具。對比結果見右表。

采用整體高速鋼立銑刀切削，表面的質量明顯要比超硬材料刀具的切削表面質量差，主要由于高速鋼銑刀硬度低、耐磨性差、進給速度低、加工效率不高、加工表面不理想。

由于高硅氧玻璃纖維復合材料的導熱性能差，組織不均勻，為切割其中層壓的玻璃纖維狀織物，一般應采用刃口較鋒利的刀具，所以另外三種超硬刀具的切削表面質量較好，因此超硬刀具材料更適合于高硅氧玻璃纖維材料的切削。

超硬刀具主要是指立方氮化硼刀具和人造金剛石刀具，通過上表參數的對比可以看出，立方氮化硼刀具在切削玻璃纖維表面時，切削質量要比采用PCD刀具和鍍層金剛砂刀具理想的多，而鍍層金剛砂刀具的切削效果又比PCD刀具好。

4 切削參數的選取

高硅氧玻璃纖維復合材料屬于難加工材料，固然刀具材料的公道選取在一定程度上可以改善其切削表面的質量，但其切削表面質量仍受其它眾多因素的影響，這其中以切削三要素：切削深度、切削速度和切削進給量的影響最為重要，它們的公道選取對于高硅氧玻璃纖維復合材料的實際切削加工具有重要的指導意義。

通過固定切削三要素中的兩個參數，考察另一參數的變化趨勢，所得各參數的變化趨勢。

       通過上面三個參數的變化趨勢圖可以看出：與切削深度和切削速度兩個因素相比，切削進給量的變化幅度最大，說明它是切削三要素里面影響切削加工表面質量的最主要因素，其在30～150mm／min的范圍內的切削效果相對較好；切削深度和切削速度的影響相對于切削進給量要小得多，在切削深度大于0.3mm范圍內所測結果基本相同；切削速度為500r/min和200m/min時的切削表面的粗糙度較大，但是在其他切削速度時的表面粗糙度波動不大；相對來說切削速度的變化幅度更小，它的變化對切削表面質量的影響更小些。
 

5 切削表面形貌的研究

利用Talvscan150丈量儀的表面三維重構功能分別重構高硅氧玻璃纖維復合材料切削表面形貌的原始三維圖、粗糙度三維圖和波度三維圖。

可以清楚地看到有纖維拔出后留下的凹坑和脫層留下的缺陷；可以清楚看到纖維切斷留下的毛刺，這是影響切削表面粗糙度的主要因素；突出部分為垂直方向上的穿刺纖維，起到層間固定的作用，也是切削中最難加工的部分，它的存在使刀具磨損嚴重。
 

高硅氧玻璃纖維復合材料切削表面呈現圖中形貌的主要原因是：高硅氧玻璃纖維是層壓材料，組織不均勻，固然制備過程中垂直方向上玻璃纖維穿刺加強了各層之間的強度，但是切削加工時還是輕易出現脫層、開裂現象，加工表面易造成凹凸不平和表面粗糙。同時由于高硅氧玻璃纖維復合材料是軟基體中雜亂無章分布著硬質點的SiO₂，而且SiO₂的含量又非常高，磨料磨損明顯，使得切削過程中的刀具磨損較嚴重，而刀具的磨損會造成切削表面結構的復雜性，使表面切削質量變差。

6 結論
     高硅穿刺切削表面呈各向異性，必須采用三維形貌丈量方法來對表面切削粗糙度進行評定；

1. 超硬材料是進行高硅氧玻璃纖維復合材料切削的最佳刀具材料，其中又以立方氮化硼刀具的切削效果最佳；
2. 在切削過程中，切削三要素對于高硅氧玻璃纖維切削表面的粗糙度有較大的影響，其中以切削進給量的影響最大，切削速度的影響最小；
3. 高硅氧玻璃纖維復合材料切削表面形貌復雜，其切削機理尚不完全明確，需要作進一步的探索和研究。

高硅氧玻璃纖維復合材料本身的結構特點決定了其切削的難加工性，探索進步切削表面質量的影響因素，為高硅氧玻璃纖維的更廣泛應用，具有重要的意義。因此在切削熱、切削力、刀具磨損、刀具幾何外形、切削機理等很多方面還需要作進一步的研究。