木纤维增强氧化镁复合材料锥形铣削性能研究
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木纤维增强氧化镁复合材料 （WRMC），外 购。为方便开展试验，裁切原材料，加工尺寸为 140 mm×80 mm×7 mm （L×W×T）， 密 度 1.25 g/cm3， 静 曲 强 度 和 弹 性 模 量 分 别 为 18.5、 4 790 MPa，冲击强度为 22 kJ/m2。 1.2 试验设备
表 4 切削力方差分析结果 Tab.4 ANOVA results of the cutting force
因素 锥度角 λ 铣削速度 v 铣削深度 h
误差 总计
平方和 2385.630
34.486 4346.907
26.757 6793.781
自由度 2 2 2 2 8
f 89.158 1.289 162.456
锥形铣刀：聚晶金刚石刀具，弹性模量 800
图 1 锥形铣削原理图 Fig.1 Schematic diagram of the taper milling
42
木材科学与技术
第 35 卷
采用正交试验法，选取锥度角、铣削速度和 铣削深度的三个不同水平，按 L9(33)确定试验方案 （表 2）。对于每种切削参数组合，分别测量切削力 和表面粗糙度 5 次，结果取平均值。
WRMC 与传统材料相似，亦需经过锯、刨、 铣、钻等机械加工才能满足表面质量和形位公差 的要求。目前在 WRMC 的实际加工中，由于加工 方法和加工参数的不同，成品表面的加工质量有 很大差异[4]。由于铣削加工的高效性，被广泛用于 工厂的实际生产中。在铣削方式中，直刃铣削容 易造成切割区域内材料破坏，导致表面粗糙度增 大[5]。与传统的直刃铣削方式相比，锥形铣削具有 更大的理论铣削半径，加工表面的波纹高度较小， 能够获得较好的表面加工质量[6-8]。
1 2 3
锥度角（/ ° ） 55 65 75
几何参数 前角（/ ° ）
10 10 10
后角（/ ° ） 8 8 8
数字控制加工中心 （型号 MGK01）；三分量
测力仪（型号 Kistler 9257B）；粗糙度测量仪（型
号 S-NEX001SD-12）。
1.3 试验方法
在图 1 所示的锥形铣削原理图中，切削刃 BC
第 35 卷 第 4 期 Vol. 35 No.4
木材科学与技术 Chinese Journal of Wood Science and Technology
2021 年 7 月 July 2021
DOI：10.12326/j.2096-9694.2020155
木纤维增强氧化镁复合材料锥形铣削性能研究
每 齿 进 给 量 Uz （mm/z） 和 平 均 切 屑 厚 度 aav （mm）的计算方式如式 2、3[7]所示：
UZ
=
πDU 60vZ
(2)
a av
=
πU hD 60vZ
(3)
式中：U—进给速度，m/min；v—铣削速度，m/s；
h—铣削深度，mm；Z—刀具齿数。
1 材料与方法 1.1 试验材料
Abstract: The wood fiber reinforced magnesium oxide composite (WRMC) material, as a new decorative building product, has been used in the construction and decorating field due to its excellent physical and mechanical properties. The cutting force and the surface roughness of the workpiece during taper milling of WRMC were studied. The results showed that the cutting force was positively correlated with the milling depth, but negatively correlated with the taper angle and the milling speed. The surface roughness increased with the increase of the milling depth and decreased with the increase of taper angles and milling speeds. An optimized cutting parameter combination with the taper angle of 75°, the milling speed of 45 m/s, and the milling depth of 0.5 mm was proposed. Under the above conditions, the cutting force and the surface roughness were 50.24 N and 2.11 μm, respectively. Key words: wood fiber reinforced magnesium oxide composite (WRMC); tapered milling; cutting force; surface roughness
高 语 1，朱兆龙 2，曹平祥 1
（1. 南京林业大学材料科学与工程学院；2. 南京林业大学家具与工业设计学院，江苏南京 210037）
摘要：木质纤维增强氧化镁复合材料（WRMC）作为一种新型建筑装饰装修材料，其以优异的 物理力学性能被应用于建筑装饰领域。本文研究了在对 WRMC 的锥形铣削过程中，铣削参数 （锥度角、铣削深度和铣削速度）对切削力和加工后工件表面粗糙度的影响。结果表明：切削力 与铣削深度呈正相关，与锥度角、铣削速度呈负相关。表面粗糙度随着铣削深度的增加而增大，随着锥度角和 铣削速度的增加而减小。综合分析得到对 WRMC 的优化切削参数组合：锥度角为 75°，铣削速度为 45 m/s，铣削 深度为 0.5 mm，切削力和工件表面粗糙度分别为 50.24 N 和 2.11 μm。 关键词：木纤维增强氧化镁复合材料（WRMC）；锥形铣削；切削力；表面粗糙度 中图分类号：TQ132.2；TU531.13；TS62 文献标识码：A 文章编号：2096-9694（2021）04-0040-05
表 2 正交试验方案 Tab.2 Orthogonal experiment design
因素
水平
1
2
3
锥度角 λ（/ °）
55
65
75
铣削速度 v/(m·s−1)
Hale Waihona Puke 354045铣削深度 h/mm
0.5
1.0
1.5
1.4 性能测试 1）切削力 Fr：采用三分量测力仪接收动态切
削力信号，并采用相应的软件进行分析计算。
2 结果与分析 2.1 切削力
各因素水平与切削力测试数据的极差分析结 果，见表 3。R 越大表明该因素对切削力的影响就 越大。表 3 显示，Rh最大，Rv最小，说明铣削深度 对切削力的影响最大，铣削速度的影响最小。
表 3 切削力极差分析结果 Tab.3 Range analysis of the cutting force
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 R
锥度角 λ/° 55 55 55 65 65 65 75 75 75
115.66 92.21 76.00 39.66
铣削速度 v/(m·s−1) 35 40 45 35 40 45 35 40 45
96.91 94.84 92.13 4.78
为进一步拓宽 WRMC 复合材料的应用领域 ， 有必要对切削力与表面粗糙度的关系进行系统地 研 究 。 本 文 利 用 聚 晶 金 刚 石 （polycrystalline diamond，PCD） 刀具，在数字化控制加工中心上 （computer numerical control machine center，CNC） 对 WRMC 进行锥形铣削试验，选取刀具锥度角、 铣削速度和铣削深度三个因素，对锥形铣削过程 中切削力和加工后工件表面粗糙度进行分析，以 期获得合理的加工参数，降低切削力和表面粗糙 度，改进 WRMC 制品的表面加工质量。
GPa，导热系数为 560 W/(m·K)，硬度 8 000 HV； 刀盘直径为 140 mm，刀齿数量是 6。刀具的几何 参数列于表 1。
Tab.1
表 1 聚晶金刚石刀具(PCD)的几何参数 The geometry of polycrystalline diamond (PCD)
tools
刀具编号
Fr = Fx 2 + Fy 2
(4)
式中：Fx、Fy—分别为切削力垂直于和平行于进给 方向上的分力，N。
2） 表面粗糙度 Ra：使用粗糙度测量仪扫描 WRMC 的加工表面后，利用表面粗糙度测量仪配
套的 ACCTee 正版软件计算 Ra值。
为验证各因素对切削力的影响程度，采用方 差分析各因素对切削力影响的显著性，选择 95% 的置信水平，即：F0.05=19[16]。若 f 值＞19，则该因 素影响显著，否则不显著。各因素对切削力影响 的方差分析结果列于表 4。
沿锥体母线布置，并绕 OO’轴旋转。KM 表示垂
直于加工面的一平面。推导出加工表面上中点 E 的
实际切削直径 d 如式(1)[7]所示。图中 ρ 为通过加工
表面中点 E 的刀刃理论铣削半径，单位为 mm。
d = D − sinλ∙L
(1)
式中：D—铣刀最大切削直径，mm；λ—铣刀锥度
角，°；L—工件加工表面长度，mm。
木 纤 维 增 强 氧 化 镁 复 合 材 料 （wood fiber reinforced magnesium oxide composite，WRMC）是
收稿日期：2020-10-20；修改日期：2021-01-22 作者简介： 高 语 （1997— ）， 女 ， 硕 士 研 究 生 。 Email： gaoyu@ 通讯作者：曹平祥，男，教授。Email：njfucpx@
在氧化镁板生产制备的基础上，混合木纤维制备而 成的一种复合材料。氧化镁板拥有高硬度、良好的 耐火防水等性能[1-3]；添加了木纤维的 WRMC 比氧 化镁板拥有更高的静曲强度和更好的韧性，因而逐 渐在建筑装饰装修领域中占有一席之地[4]。
第4期
高 语等：木纤维增强氧化镁复合材料锥形铣削性能研究
41
显著性 0.011 0.437 0.006
表 4 显示，锥度角和铣削深度的 f 值均＞19。 因此，可以判断锥度角和铣削深度对切削力影响 显著，而铣削速度的影响不显著。各因素影响的 主次顺序与极差分析结果一致。
切削力随各因素水平的变化趋势，如图 2 所 示。可以发现，Fr 随锥度角和铣削速度的增加而减 小，但随铣削深度的增加而增大。
Machinability of Wood Fiber Reinforced Magnesium Oxide Composites During Tapered Milling
GAO Yu1，ZHU Zhao-long2，CAO Ping-xiang1
（1. College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University；2. College of Furnishings and Industrial Design， Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China）
切削力是衡量材料加工性能的重要指标之一。 切削力过大会引起机床震动，导致加工过程不稳 定，直接影响切削质量[9-10]；另外还会造成刀具磨 损增大，降低刀具寿命[11-13]。表面粗糙度是表面加 工质量的评价指标之一，包括材料表面的各种不 平 度 ， 其 中 有 运 动 轨 迹 所 产 生 的 运 动 不 平 度 （即 波纹）；加工表面材料被撕裂、崩掉、劈裂引起的 破坏性不平度；刀具-工件-机床振动所引起的振动 性不平度，因此表面粗糙度的大小决定板材表面 加工质量的好坏[6, 。 14]
表 4 切削力方差分析结果 Tab.4 ANOVA results of the cutting force
因素 锥度角 λ 铣削速度 v 铣削深度 h
误差 总计
平方和 2385.630
34.486 4346.907
26.757 6793.781
自由度 2 2 2 2 8
f 89.158 1.289 162.456
锥形铣刀：聚晶金刚石刀具，弹性模量 800
图 1 锥形铣削原理图 Fig.1 Schematic diagram of the taper milling
42
木材科学与技术
第 35 卷
采用正交试验法，选取锥度角、铣削速度和 铣削深度的三个不同水平，按 L9(33)确定试验方案 （表 2）。对于每种切削参数组合，分别测量切削力 和表面粗糙度 5 次，结果取平均值。
WRMC 与传统材料相似，亦需经过锯、刨、 铣、钻等机械加工才能满足表面质量和形位公差 的要求。目前在 WRMC 的实际加工中，由于加工 方法和加工参数的不同，成品表面的加工质量有 很大差异[4]。由于铣削加工的高效性，被广泛用于 工厂的实际生产中。在铣削方式中，直刃铣削容 易造成切割区域内材料破坏，导致表面粗糙度增 大[5]。与传统的直刃铣削方式相比，锥形铣削具有 更大的理论铣削半径，加工表面的波纹高度较小， 能够获得较好的表面加工质量[6-8]。
1 2 3
锥度角（/ ° ） 55 65 75
几何参数 前角（/ ° ）
10 10 10
后角（/ ° ） 8 8 8
数字控制加工中心 （型号 MGK01）；三分量
测力仪（型号 Kistler 9257B）；粗糙度测量仪（型
号 S-NEX001SD-12）。
1.3 试验方法
在图 1 所示的锥形铣削原理图中，切削刃 BC
第 35 卷 第 4 期 Vol. 35 No.4
木材科学与技术 Chinese Journal of Wood Science and Technology
2021 年 7 月 July 2021
DOI：10.12326/j.2096-9694.2020155
木纤维增强氧化镁复合材料锥形铣削性能研究
每 齿 进 给 量 Uz （mm/z） 和 平 均 切 屑 厚 度 aav （mm）的计算方式如式 2、3[7]所示：
UZ
=
πDU 60vZ
(2)
a av
=
πU hD 60vZ
(3)
式中：U—进给速度，m/min；v—铣削速度，m/s；
h—铣削深度，mm；Z—刀具齿数。
1 材料与方法 1.1 试验材料
Abstract: The wood fiber reinforced magnesium oxide composite (WRMC) material, as a new decorative building product, has been used in the construction and decorating field due to its excellent physical and mechanical properties. The cutting force and the surface roughness of the workpiece during taper milling of WRMC were studied. The results showed that the cutting force was positively correlated with the milling depth, but negatively correlated with the taper angle and the milling speed. The surface roughness increased with the increase of the milling depth and decreased with the increase of taper angles and milling speeds. An optimized cutting parameter combination with the taper angle of 75°, the milling speed of 45 m/s, and the milling depth of 0.5 mm was proposed. Under the above conditions, the cutting force and the surface roughness were 50.24 N and 2.11 μm, respectively. Key words: wood fiber reinforced magnesium oxide composite (WRMC); tapered milling; cutting force; surface roughness
高 语 1，朱兆龙 2，曹平祥 1
（1. 南京林业大学材料科学与工程学院；2. 南京林业大学家具与工业设计学院，江苏南京 210037）
摘要：木质纤维增强氧化镁复合材料（WRMC）作为一种新型建筑装饰装修材料，其以优异的 物理力学性能被应用于建筑装饰领域。本文研究了在对 WRMC 的锥形铣削过程中，铣削参数 （锥度角、铣削深度和铣削速度）对切削力和加工后工件表面粗糙度的影响。结果表明：切削力 与铣削深度呈正相关，与锥度角、铣削速度呈负相关。表面粗糙度随着铣削深度的增加而增大，随着锥度角和 铣削速度的增加而减小。综合分析得到对 WRMC 的优化切削参数组合：锥度角为 75°，铣削速度为 45 m/s，铣削 深度为 0.5 mm，切削力和工件表面粗糙度分别为 50.24 N 和 2.11 μm。 关键词：木纤维增强氧化镁复合材料（WRMC）；锥形铣削；切削力；表面粗糙度 中图分类号：TQ132.2；TU531.13；TS62 文献标识码：A 文章编号：2096-9694（2021）04-0040-05
表 2 正交试验方案 Tab.2 Orthogonal experiment design
因素
水平
1
2
3
锥度角 λ（/ °）
55
65
75
铣削速度 v/(m·s−1)
Hale Waihona Puke 354045铣削深度 h/mm
0.5
1.0
1.5
1.4 性能测试 1）切削力 Fr：采用三分量测力仪接收动态切
削力信号，并采用相应的软件进行分析计算。
2 结果与分析 2.1 切削力
各因素水平与切削力测试数据的极差分析结 果，见表 3。R 越大表明该因素对切削力的影响就 越大。表 3 显示，Rh最大，Rv最小，说明铣削深度 对切削力的影响最大，铣削速度的影响最小。
表 3 切削力极差分析结果 Tab.3 Range analysis of the cutting force
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 R
锥度角 λ/° 55 55 55 65 65 65 75 75 75
115.66 92.21 76.00 39.66
铣削速度 v/(m·s−1) 35 40 45 35 40 45 35 40 45
96.91 94.84 92.13 4.78
为进一步拓宽 WRMC 复合材料的应用领域 ， 有必要对切削力与表面粗糙度的关系进行系统地 研 究 。 本 文 利 用 聚 晶 金 刚 石 （polycrystalline diamond，PCD） 刀具，在数字化控制加工中心上 （computer numerical control machine center，CNC） 对 WRMC 进行锥形铣削试验，选取刀具锥度角、 铣削速度和铣削深度三个因素，对锥形铣削过程 中切削力和加工后工件表面粗糙度进行分析，以 期获得合理的加工参数，降低切削力和表面粗糙 度，改进 WRMC 制品的表面加工质量。
GPa，导热系数为 560 W/(m·K)，硬度 8 000 HV； 刀盘直径为 140 mm，刀齿数量是 6。刀具的几何 参数列于表 1。
Tab.1
表 1 聚晶金刚石刀具(PCD)的几何参数 The geometry of polycrystalline diamond (PCD)
tools
刀具编号
Fr = Fx 2 + Fy 2
(4)
式中：Fx、Fy—分别为切削力垂直于和平行于进给 方向上的分力，N。
2） 表面粗糙度 Ra：使用粗糙度测量仪扫描 WRMC 的加工表面后，利用表面粗糙度测量仪配
套的 ACCTee 正版软件计算 Ra值。
为验证各因素对切削力的影响程度，采用方 差分析各因素对切削力影响的显著性，选择 95% 的置信水平，即：F0.05=19[16]。若 f 值＞19，则该因 素影响显著，否则不显著。各因素对切削力影响 的方差分析结果列于表 4。
沿锥体母线布置，并绕 OO’轴旋转。KM 表示垂
直于加工面的一平面。推导出加工表面上中点 E 的
实际切削直径 d 如式(1)[7]所示。图中 ρ 为通过加工
表面中点 E 的刀刃理论铣削半径，单位为 mm。
d = D − sinλ∙L
(1)
式中：D—铣刀最大切削直径，mm；λ—铣刀锥度
角，°；L—工件加工表面长度，mm。
木 纤 维 增 强 氧 化 镁 复 合 材 料 （wood fiber reinforced magnesium oxide composite，WRMC）是
收稿日期：2020-10-20；修改日期：2021-01-22 作者简介： 高 语 （1997— ）， 女 ， 硕 士 研 究 生 。 Email： gaoyu@ 通讯作者：曹平祥，男，教授。Email：njfucpx@
在氧化镁板生产制备的基础上，混合木纤维制备而 成的一种复合材料。氧化镁板拥有高硬度、良好的 耐火防水等性能[1-3]；添加了木纤维的 WRMC 比氧 化镁板拥有更高的静曲强度和更好的韧性，因而逐 渐在建筑装饰装修领域中占有一席之地[4]。
第4期
高 语等：木纤维增强氧化镁复合材料锥形铣削性能研究
41
显著性 0.011 0.437 0.006
表 4 显示，锥度角和铣削深度的 f 值均＞19。 因此，可以判断锥度角和铣削深度对切削力影响 显著，而铣削速度的影响不显著。各因素影响的 主次顺序与极差分析结果一致。
切削力随各因素水平的变化趋势，如图 2 所 示。可以发现，Fr 随锥度角和铣削速度的增加而减 小，但随铣削深度的增加而增大。
Machinability of Wood Fiber Reinforced Magnesium Oxide Composites During Tapered Milling
GAO Yu1，ZHU Zhao-long2，CAO Ping-xiang1
（1. College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University；2. College of Furnishings and Industrial Design， Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China）
切削力是衡量材料加工性能的重要指标之一。 切削力过大会引起机床震动，导致加工过程不稳 定，直接影响切削质量[9-10]；另外还会造成刀具磨 损增大，降低刀具寿命[11-13]。表面粗糙度是表面加 工质量的评价指标之一，包括材料表面的各种不 平 度 ， 其 中 有 运 动 轨 迹 所 产 生 的 运 动 不 平 度 （即 波纹）；加工表面材料被撕裂、崩掉、劈裂引起的 破坏性不平度；刀具-工件-机床振动所引起的振动 性不平度，因此表面粗糙度的大小决定板材表面 加工质量的好坏[6, 。 14]