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(zhì)量分?jǐn)?shù)為95/100以上，通常是由鈉硼硅酸鹽玻璃纖維經(jīng)熱酸萃取(瀝濾)，除掉硅以外雜質(zhì)后經(jīng)燒結(jié)而成。該纖維強(qiáng)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(shí)間可耐1200℃的高溫，是一種優(yōu)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(yīng)用，它是高科技纖維之一。

國內(nèi)關(guān)于高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備工藝方面已經(jīng)有了較深進(jìn)的研究，主要研制和生產(chǎn)單位有南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院、陜西玻璃纖維總廠、如皋玻璃纖維廠等。但是關(guān)于高硅氧玻璃纖維切削加工方面的研究還很少，本文對(duì)高硅氧玻璃纖維切削加工中的刀具材料和切削加工參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)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(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)中所用的材料是經(jīng)穿刺加工而成的高硅氧玻璃纖維復(fù)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(fù)合材料切削表面呈現(xiàn)各向異性，目前針對(duì)金屬材料切削表面的丈量方法和評(píng)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(shí)驗(yàn)采用的是三維形貌丈量方法對(duì)其切削表面進(jìn)行評(píng)定。

試驗(yàn)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(píng)定參數(shù)是由歐共體資助項(xiàng)目STM4開發(fā)的14個(gè)三維表征參數(shù)中的幅度參數(shù)——表面均方根偏差Sq。

3 刀具材料的選取

高硅氧玻璃纖維復(fù)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(dǎo)熱性比金屬材料小得多，切削加工時(shí)的散熱條件極差，切削時(shí)產(chǎn)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(zhì)量。

本文用四種材料的刀具對(duì)高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行了切削對(duì)比試驗(yàn)，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(duì)比結(jié)果見右表。

采用整體高速鋼立銑刀切削，表面的質(zhì)量明顯要比超硬材料刀具的切削表面質(zhì)量差，主要由于高速鋼銑刀硬度低、耐磨性差、進(jìn)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(fù)合材料的導(dǎo)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(yīng)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(zhì)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(shù)的對(duì)比可以看出，立方氮化硼刀具在切削玻璃纖維表面時(shí)，切削質(zhì)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(shù)的選取

高硅氧玻璃纖維復(fù)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(zhì)量，但其切削表面質(zhì)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(jìn)給量的影響最為重要，它們的公道選取對(duì)于高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料的實(shí)際切削加工具有重要的指導(dǎo)意義。

通過固定切削三要素中的兩個(gè)參數(shù)，考察另一參數(shù)的變化趨勢(shì)，所得各參數(shù)的變化趨勢(shì)。

       通過上面三個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)圖可以看出：與切削深度和切削速度兩個(gè)因素相比，切削進(jìn)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(zhì)量的最主要因素，其在30～150mm／min的范圍內(nèi)的切削效果相對(duì)較好；切削深度和切削速度的影響相對(duì)于切削進(jìn)給量要小得多，在切削深度大于0.3mm范圍內(nèi)所測(cè)結(jié)果基本相同；切削速度為500r/min和200m/min時(shí)的切削表面的粗糙度較大，但是在其他切削速度時(shí)的表面粗糙度波動(dòng)不大；相對(duì)來說切削速度的變化幅度更小，它的變化對(duì)切削表面質(zhì)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(gòu)功能分別重構(gòu)高硅氧玻璃纖維復(fù)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(yán)重。
 

高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料切削表面呈現(xiàn)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(qiáng)了各層之間的強(qiáng)度，但是切削加工時(shí)還是輕易出現(xiàn)脫層、開裂現(xiàn)象，加工表面易造成凹凸不平和表面粗糙。同時(shí)由于高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料是軟基體中雜亂無章分布著硬質(zhì)點(diǎn)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(yán)重，而刀具的磨損會(huì)造成切削表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使表面切削質(zhì)量變差。

6 結(jié)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(duì)表面切削粗糙度進(jìn)行評(píng)定；

1. 超硬材料是進(jìn)行高硅氧玻璃纖維復(fù)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(duì)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(jìn)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(fù)合材料切削表面形貌復(fù)雜，其切削機(jī)理尚不完全明確，需要作進(jìn)一步的探索和研究。

高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其切削的難加工性，探索進(jìn)步切削表面質(zhì)量的影響因素，為高硅氧玻璃纖維的更廣泛應(yīng)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(jī)理等很多方面還需要作進(jìn)一步的研究。