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中密度纤维板切削加工机理的研究

郭晓磊  
【摘要】:中密度纤维板(Medium Density Fiberboard,缩写为MDF)已经在人造板生产和应用中,占据了令人瞩目的地位。但MDF的二次加工,如切削加工,存在加工表面质量差、粉尘污染严重等诸多问题。本文作为国家自然科学基金资助项目“木材及木质复合材料高速切削过程中切屑流控制机理的研究”的重要部分,主要侧重于MDF切削过程中的切屑形成机理、切削力、铣削粉尘特性及切屑流特性进行分析研究。 在MDF切屑形成机理研究方面,采用高速摄像技术和材料微观分析技术,进行了MDF正交切削试验,分析了切屑形成过程的基本特征,建立了MDF切削机理模型;进而分析了切削厚度、刀具前角及切削速度等不同切削参数对切削变形的影响,分析了切屑形态演变过程;建立了切削参数与切削加工表面破碎率的关系。研究结果表明:在MDF切削过程中,随着切削厚度的增大,MDF切屑由以粉尘状切屑为主首先逐步向以颗粒状切屑为主转变,进而向以准连续状切屑为主转变;在较大的切削厚度条件下,降低刀具前角或增大切削速度有助于MDF切屑由以准连续状切屑为主向以颗粒状切屑为主转变;在较小的切削厚度条件下,增大刀具前角或减小切削速度有助于MDF切屑由以粉尘状切屑为主向以颗粒状切屑为主转变。采用图像处理技术计算表面破碎率,不仅可以作为MDF已加工表面质量的评价指标,而且可以作为系统研究MDF切削机理、切削力等的重要手段。 在MDF切削力研究方面,分析了不同切屑形成过程中切向力时域波形特征,分析了切削参数对MDF切向力和径向力的影响趋势,并且建立MDF切向力和径向力经验计算公式。研究结果表明:MDF准连续状切屑生成过程中,切削力‐时间曲线上的切向力呈一定周期性波动,切向力变化较大。颗粒状切屑形成时,切削力‐切削时间曲线上开始出现比较有规律性的锯齿状波形,这些高高低低的锯齿波峰值点对应着大大小小的MDF挤压颗粒状切屑的形成过程。粉尘状切屑形成时,平均切削力较小,围绕在42N左右变化,切削力‐时间曲线波动平稳。切削厚度对切削力的影响显著,随着切削厚度增大,切向力急剧增大,而径向力逐渐减小;刀具前角对切削力的影响较显著,随着刀具前角的增大,切向力减小较快,而径向力减小趋势较慢;切削速度对切削力的影响较显著,随着切削速度增大,切向力是逐渐减小,而径向力趋势表现并不明显。 在MDF铣削加工产生的粉尘特性研究方面,分析了平均铣削厚度对MDF铣削粉尘粒度分布、典型粒度形貌及MDF已加工表面粗糙度的影响,并且分析了粉尘粒度对甲醛释放量的影响。研究结果表明:MDF铣削粉尘粒度分布主要集中在0.5-450μm区间,铣削MDF粉尘颗粒基本上为狭长型的纤维束、胶束或者短小型纤维束。随着平均铣削厚度增加,MDF铣削粉尘的平均粒度{D(4,3),D(3,2)}及中位径D(50)呈逐渐增大的趋势,而铣削速度影响较进给速度影响显著。随着平均铣削厚度的增加,MDF铣削表面质量降低,而铣削速度影响较进给速度影响显著。因此,可以认为,适当地增加铣刀转速有助于提高MDF铣削表面质量。此外,相同质量的MDF铣削粉尘,随着平均粒径减小,其甲醛释放量趋于增大。 在MDF切屑流研究方面,基于高速摄像技术和图像识别与处理技术,采集木质复合材料铣削过程中切屑流的瞬态图像,分析MDF铣削切屑流形成机理、流场速度及扩散角度的变化规律。研究结果表明:切屑流形成过程分成两个阶段,第一个阶段为切削层材料离开工件形成切屑开始,到与齿槽接触;第二个阶段为切屑离开齿槽之后向外飞射,最后扩散在大气中。切屑流流场速度变化也分为两个阶段,第一个阶段为切屑流从形成时,具备一定流场速度后,开始趋于减小,第二个阶段为切屑流流场速度突然达到峰值,然后速度随之趋于减小。木质复合材料高速铣削时,随着刀齿切入工件,铣刀转速会趋于降低;而随着刀齿离开工件瞬间,刀齿线速度迅速恢复到额定速度并保持稳定。在切屑流流场内部的不同位置,切屑的速度存在差异。在同一时刻,切屑流中部的切屑颗粒速度最大,靠近刀齿部分速度次之,远离刀齿部分速度最小。随着铣刀转速的增加,切屑流的扩散角减小,在不同的木质复合材料铣削加工中,MDF铣削过程中的扩散角最大,变化范围为59.1‐66.5°。 本文研究成果具有一定理论及应用价值,填补了国内外关于MDF切削机理研究的空白,为MDF切削过程中产生粉尘污染的控制,提供了可靠的理论依据。


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