1 引言

高硅氧玻璃纤维英文名High-Silica glass fiber，属于特种玻璃纤维。它的SiO₂质量分数为95/100以上，通常是由钠硼硅酸盐玻璃纤维经热酸萃取(沥滤)，除掉硅以外杂质后经烧结而成。该纤维强度很低，仅为E玻璃纤维的1/10，但是它的耐高温性能非常好，可在900℃下长期使用，短时间可耐1200℃的高温，是一种优良的耐烧蚀材料和隔热材料，已在国防、宇航、玄色及有色金属熔体净化过滤方面获得应用，它是高科技纤维之一。

国内关于高硅氧玻璃纤维复合材料制备工艺方面已经有了较深进的研究，主要研制和生产单位有南京玻璃纤维研究设计院、陕西玻璃纤维总厂、如皋玻璃纤维厂等。但是关于高硅氧玻璃纤维切削加工方面的研究还很少，本文对高硅氧玻璃纤维切削加工中的刀具材料和切削加工参数进行了试验研究，并通过切削表面的三维形貌图分析了高硅氧玻璃纤维的表面形貌特征。

2 切削试验条件

2.1 试验样品

试验中所用的材料是经穿刺加工而成的高硅氧玻璃纤维复合材料， 样品尺寸为20mm×20mm×10mm，表面由铣削加工而成的。

2.2 表面粗糙度丈量方法

由于高硅氧玻璃纤维复合材料切削表面呈现各向异性，目前针对金属材料切削表面的丈量方法和评定方法已不能用于高硅氧玻璃纤维切削表面的丈量，因此本实验采用的是三维形貌丈量方法对其切削表面进行评定。

试验中所用丈量仪器是Tavlor Hobson公司研制的Talyscan150三维形貌丈量仪；采样条件分别是：采样间距5μm，采样速度3000μm/s，采样面积8mm×8mm；评定参数是由欧共体资助项目STM4开发的14个三维表征参数中的幅度参数——表面均方根偏差Sq。

3 刀具材料的选取

高硅氧玻璃纤维复合材料的切削加工完全不同于金属材料的切削加工，它的导热性比金属材料小得多，切削加工时的散热条件极差，切削时产生的大量热不易被切屑带走，大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃四周，使刀具急剧磨损，影响表面的切削质量。

本文用四种材料的刀具对高硅氧玻璃纤维复合材料进行了切削对比试验，它们分别是整体高速钢立铣刀和三种超硬材料刀具：立方氮化硼CBN、金刚石刀具PCD和镀层金刚砂刀具。对比结果见右表。

采用整体高速钢立铣刀切削，表面的质量明显要比超硬材料刀具的切削表面质量差，主要由于高速钢铣刀硬度低、耐磨性差、进给速度低、加工效率不高、加工表面不理想。

由于高硅氧玻璃纤维复合材料的导热性能差，组织不均匀，为切割其中层压的玻璃纤维状织物，一般应采用刃口较锋利的刀具，所以另外三种超硬刀具的切削表面质量较好，因此超硬刀具材料更适合于高硅氧玻璃纤维材料的切削。

超硬刀具主要是指立方氮化硼刀具和人造金刚石刀具，通过上表参数的对比可以看出，立方氮化硼刀具在切削玻璃纤维表面时，切削质量要比采用PCD刀具和镀层金刚砂刀具理想的多，而镀层金刚砂刀具的切削效果又比PCD刀具好。

4 切削参数的选取

高硅氧玻璃纤维复合材料属于难加工材料，固然刀具材料的公道选取在一定程度上可以改善其切削表面的质量，但其切削表面质量仍受其它众多因素的影响，这其中以切削三要素：切削深度、切削速度和切削进给量的影响最为重要，它们的公道选取对于高硅氧玻璃纤维复合材料的实际切削加工具有重要的指导意义。

通过固定切削三要素中的两个参数，考察另一参数的变化趋势，所得各参数的变化趋势。

       通过上面三个参数的变化趋势图可以看出：与切削深度和切削速度两个因素相比，切削进给量的变化幅度最大，说明它是切削三要素里面影响切削加工表面质量的最主要因素，其在30～150mm／min的范围内的切削效果相对较好；切削深度和切削速度的影响相对于切削进给量要小得多，在切削深度大于0.3mm范围内所测结果基本相同；切削速度为500r/min和200m/min时的切削表面的粗糙度较大，但是在其他切削速度时的表面粗糙度波动不大；相对来说切削速度的变化幅度更小，它的变化对切削表面质量的影响更小些。
 

5 切削表面形貌的研究

利用Talvscan150丈量仪的表面三维重构功能分别重构高硅氧玻璃纤维复合材料切削表面形貌的原始三维图、粗糙度三维图和波度三维图。

可以清楚地看到有纤维拔出后留下的凹坑和脱层留下的缺陷；可以清楚看到纤维切断留下的毛刺，这是影响切削表面粗糙度的主要因素；突出部分为垂直方向上的穿刺纤维，起到层间固定的作用，也是切削中最难加工的部分，它的存在使刀具磨损严重。
 

高硅氧玻璃纤维复合材料切削表面呈现图中形貌的主要原因是：高硅氧玻璃纤维是层压材料，组织不均匀，固然制备过程中垂直方向上玻璃纤维穿刺加强了各层之间的强度，但是切削加工时还是轻易出现脱层、开裂现象，加工表面易造成凹凸不平和表面粗糙。同时由于高硅氧玻璃纤维复合材料是软基体中杂乱无章分布着硬质点的SiO₂，而且SiO₂的含量又非常高，磨料磨损明显，使得切削过程中的刀具磨损较严重，而刀具的磨损会造成切削表面结构的复杂性，使表面切削质量变差。

6 结论
     高硅穿刺切削表面呈各向异性，必须采用三维形貌丈量方法来对表面切削粗糙度进行评定；

1. 超硬材料是进行高硅氧玻璃纤维复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. 在切削过程中，切削三要素对于高硅氧玻璃纤维切削表面的粗糙度有较大的影响，其中以切削进给量的影响最大，切削速度的影响最小；
3. 高硅氧玻璃纤维复合材料切削表面形貌复杂，其切削机理尚不完全明确，需要作进一步的探索和研究。

高硅氧玻璃纤维复合材料本身的结构特点决定了其切削的难加工性，探索进步切削表面质量的影响因素，为高硅氧玻璃纤维的更广泛应用，具有重要的意义。因此在切削热、切削力、刀具磨损、刀具几何外形、切削机理等很多方面还需要作进一步的研究。