銑削加工透波性Si3N4陶瓷表面質(zhì)量研究

魏士亮 房豐洲 劉立飛 翟學(xué)智

（1 天津大學(xué)微納制造實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

（2 哈爾濱理工大學(xué)高效切削及刀具國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

（3 航天科工哈爾濱風(fēng)華有限公司，哈爾濱 150001）

文 摘 為了探索透波性Si3N4陶瓷銑削中加工表面創(chuàng)成機(jī)理及加工工藝參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，對(duì)加工表面形貌和邊緣破損特征，以及加工參數(shù)與切削力、表面粗糙度、邊緣破損的映射關(guān)系等開展了試驗(yàn)研究。首先對(duì)加工表面形貌進(jìn)行了分析，由于存在陶瓷粉末去除和破碎性顆粒去除兩種形式，造成加工表面形貌結(jié)構(gòu)一種體現(xiàn)為變化平緩，而另一種包含微裂紋、層狀結(jié)構(gòu)體等，且存在凹坑、溝槽等缺陷。其次研究了邊緣破損形式及產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到出口棱邊處，刀尖應(yīng)力集中處將產(chǎn)生微裂紋，并向工件側(cè)面擴(kuò)展，從而在加工表面和加工側(cè)面誘導(dǎo)形成邊緣破損。最后基于均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析了工藝條件對(duì)加工性能的影響。結(jié)果表明：隨著切削深度從0.2增加到0.5 mm和切削寬度從1增加到4 mm時(shí)，x軸切削力呈耦合增長(zhǎng)，y軸切削力呈二次方增長(zhǎng)；當(dāng)切削深度和切削寬度分別為0.2 mm 和1 mm、進(jìn)給速度為500 mm/min 時(shí)，加工表面粗糙度值最小；轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、切削深度和切削寬度最小時(shí)，邊緣破損幅值最小。此結(jié)果可為提高透波性Si3N4陶瓷銑削加工質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

0 引言

透波性Si3N4陶瓷材料是一種廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的特種陶瓷材料，具有耐高溫、防熱、抗沖擊等特點(diǎn)，同時(shí)具有透波功能，主要制造成天線窗、雷達(dá)罩等，應(yīng)用于各種高超聲速飛行器、空間衛(wèi)星等［1-2］。透波性Si3N4陶瓷材料具有較低的斷裂韌性值，約為2～4 MPa·m1/2，且由于致密度低，其硬度也較低，屬于典型脆性材料。由于功能要求，只能采用干切削加工方式。加工過程中刀具及加工表面黏附大量粉末切屑，銑削中刀具磨損嚴(yán)重，造成切削力增大，且材料具有脆性，進(jìn)一步造成加工表面凹坑、崩邊等缺陷，與技術(shù)要求存在一定差距。

透波性Si3N4陶瓷作為新型材料，其銑削加工技術(shù)研究較少。針對(duì)脆性材料加工，許多學(xué)者主要以石墨為對(duì)象開展了相關(guān)研究。王成勇等針對(duì)石墨銑削參數(shù)和刀具幾何角度開展了大量試驗(yàn)和理論研究，認(rèn)為石墨切削過程是正前角刀具的切削和負(fù)前角刀具的磨削作用綜合結(jié)果［3-4］。周莉針對(duì)石墨高速銑削加工中切屑形成機(jī)理進(jìn)行初步研究，提出了脆性陶瓷切屑以擠壓顆粒切屑和斷裂塊屑為主，不同切屑形成過程對(duì)應(yīng)了不同的切屑粒徑分布規(guī)律，且已加工表面由許多殘留的深淺不一的斷裂凹坑和石墨鱗片碎屑構(gòu)成［5-7］。楊小璠采用金剛石涂層刀具開展了石墨銑削加工試驗(yàn)，認(rèn)為超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具具有良好的涂層性能和刀具耐磨性，更適合于石墨等脆性材料的高速切削加工［8］。MASUDA通過試驗(yàn)研究了工藝條件對(duì)脆性材料加工的影響，得出切削速度對(duì)切削力影響較小，但是每齒進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削力影響顯著；同時(shí)增大切削速度和進(jìn)給量可使表面質(zhì)量下降［9-10］。除石墨外，葛英飛等針對(duì)脆性材料SiCp/Al 進(jìn)行了車削和高速銑削研究，表明切削速度對(duì)加工刀具耐用度的影響最為顯著，每齒進(jìn)給量次之；加工表面的粗糙度和質(zhì)量對(duì)刀具磨損有顯著的敏感性［11-12］。對(duì)于脆性材料加工，邊緣破損是其典型加工表面缺陷。NG、ALMOND 等學(xué)者通過研究認(rèn)為加工參數(shù)對(duì)邊緣破損影響最為顯著［13-14］。

透波性Si3N4陶瓷與石墨在材料性能上具有一定相似性，但是斷裂韌性值更低，且粉末硬度也遠(yuǎn)高于石墨，其加工性能與石墨仍具有一定差異。透波性Si3N4陶瓷零件既是結(jié)構(gòu)件，又是功能件，其加工表面完整性要求更高，對(duì)于銑削過程中表面創(chuàng)成機(jī)理、工藝條件影響規(guī)律等仍有待于進(jìn)一步細(xì)致研究。本文將試驗(yàn)研究與理論分析結(jié)合，開展透波性Si3N4陶瓷銑削加工工藝過程研究，重點(diǎn)分析表面形貌特征及創(chuàng)成機(jī)理、邊緣破損特征及斷裂機(jī)理，以及加工參數(shù)與切削力、表面質(zhì)量等映射關(guān)系，擬為透波性Si3N4陶瓷銑削加工表面完整性控制奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了不同加工工藝參數(shù)下透波性Si3N4陶瓷銑削加工試驗(yàn)。透波性Si3N4陶瓷由哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種陶瓷研究所制備，制造工藝為反應(yīng)燒結(jié)，尺寸大小為40 mm×40 mm，主要材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material properties

為了研究耦合效應(yīng)下加工工藝參數(shù)對(duì)透波性Si3N4陶瓷材料加工表面完整性影響規(guī)律，加工工藝試驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)方法，因素和水平分別如表2所示，為4因素4水平。試驗(yàn)次數(shù)為4次，按照均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)理論，試驗(yàn)安排順序如表3所示。

表2 因素和水平表Tab.2 Factors and levels

表3 試驗(yàn)安排Tab.3 Uniform design table

試驗(yàn)機(jī)床為JDGR200_A10H CNC 銑床，刀具材料為YL10.2 硬質(zhì)合金，刃數(shù)為4，前角為8°，后角為10°，螺旋角為30°。透波性Si3N4陶瓷固定在測(cè)力儀上，銑削加工過程見圖1。加工過程中采用KISTLER 9257A 測(cè)力儀和KISTLER 5070電荷放大器進(jìn)行切削力采集；采用OLS 3000 激光共聚焦顯微鏡和FEI HELIOS NanoLab 600I FIB/SEM 對(duì)銑削后陶瓷表面形貌進(jìn)行測(cè)量和觀察；采用VHX-1000 超景深顯微鏡對(duì)邊緣破損進(jìn)行觀察。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

2 結(jié)果分析與討論

2.1 表面形貌及創(chuàng)成機(jī)理

采用掃描電鏡對(duì)4 組加工條件下得到的表面形貌進(jìn)行觀察，加工表面形貌如圖2所示。

圖2 不同加工條件下表面形貌Fig.2 Surface morphologies of different machining conditions

可以看出透波性Si3N4陶瓷銑削加工表面形貌主要由陶瓷粉末顆粒團(tuán)聚組成。但是前兩組試驗(yàn)表面形貌遠(yuǎn)比后兩組粗糙，其表面形貌溝壑明顯，且發(fā)現(xiàn)了微裂紋和層狀結(jié)構(gòu)體。透波性Si3N4陶瓷銑削加工材料去除機(jī)理如圖3所示。由于陶瓷材料無明顯彈塑性區(qū)，切屑一般難以連續(xù)。當(dāng)切削深度和切削力較小時(shí)，材料去除以陶瓷粉末分離為主，其切屑主要為粉末，如圖3（a）所示。而當(dāng)切削深度和切削力較大時(shí)，銑削刀具刀刃處形成較大應(yīng)力集中，同時(shí)由于透波性Si3N4陶瓷較低的斷裂韌性，在刀刃處易形成微裂紋，并發(fā)生擴(kuò)展。當(dāng)微裂紋擴(kuò)展到自由表面，切屑中將含有大量陶瓷粉末結(jié)合的陶瓷顆粒，如圖3（a）所示。由于微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，表面形貌結(jié)構(gòu)將較為復(fù)雜，產(chǎn)生明顯溝壑，且存在微裂紋和層狀結(jié)構(gòu)體。通過對(duì)比加工工藝參數(shù)，可以看出前兩組試驗(yàn)加工深度和加工寬度都較大，其材料去除過程中將產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展，切屑中含有陶瓷顆粒，加工表面形貌粗糙。同時(shí)對(duì)前兩組試驗(yàn)加工表面形貌進(jìn)行更為細(xì)致觀察，加工表面還存在凹坑、溝槽等缺陷，如圖4所示。

圖3 不同材料去除機(jī)理Fig.3 Different material removal mechanisms

圖4 表面缺陷三維形貌Fig.4 Three-dimensional topography of surface defects

通過圖像二值化處理，其結(jié)構(gòu)更為清晰，如圖5所示。加工表面缺陷的存在與材料去除機(jī)理密不可分。通過上面分析知前兩組試驗(yàn)銑削過程中存在微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與進(jìn)給方向不一致時(shí)，在刀刃處將形成中位裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展在加工表面形成凹坑。由于碎裂型陶瓷顆粒切屑的存在，銑削過程中在刀具與工件相對(duì)滑動(dòng)中，產(chǎn)生了犁溝效應(yīng)，形成了顯著溝槽。

圖5 表面缺陷圖像二值化處理Fig.5 Surface defect image binarization

2.2 邊緣破損及斷裂機(jī)理

通過對(duì)加工表面進(jìn)行觀察，透波性Si3N4陶瓷銑削加工表面還存在顯著特征是邊緣破損，如圖6所示。通過對(duì)出現(xiàn)邊緣破損工件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)邊緣破損主要出現(xiàn)在出口棱邊處，且加工表面和加工側(cè)面都較為顯著。

圖6 不同位置邊緣破損Fig.6 Edge chipping of different positions

邊緣破損主要出現(xiàn)在出口棱邊處，對(duì)出口棱邊處加工過程進(jìn)行分析。圖7為出口棱邊處刀具與工件接觸關(guān)系示意圖。

圖7 邊緣破損機(jī)理示意圖Fig.7 Edge chipping meshanism

加工過程中，由于法向切削力和切向切削力的存在，且刀刃處存在尖角，將產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到工件邊緣處，刀尖處應(yīng)力分布如圖所示，可以看出刀尖處最大應(yīng)力方向指向工件側(cè)面。透波性Si3N4陶瓷斷裂韌性只有2.6 MPa·m1/2，但最大應(yīng)力大于材料斷裂應(yīng)力，應(yīng)力集中處將產(chǎn)生微裂紋，并向工件側(cè)面擴(kuò)展，從而在加工表面和加工側(cè)面都形成邊緣破損。

3 加工參數(shù)影響規(guī)律

3.1 對(duì)切削力的影響

切削力是表征加工性能的重要參數(shù)。圖8是試驗(yàn)條件1 和試驗(yàn)條件3 下透波性Si3N4陶瓷銑削加工過程中切削力隨時(shí)間變化曲線。可以看出加工過程中x軸方向切削力波動(dòng)變化最為明顯，且試驗(yàn)條件1下x軸波動(dòng)性更為顯著。試驗(yàn)條件1 下加工表面形貌更為粗糙，x軸方向切削力變化也反映了加工表面形貌。試驗(yàn)條件1下材料去除機(jī)理復(fù)雜，銑削過程中存在微裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展，其切削力不穩(wěn)定。

圖8 不同加工條件下切削力曲線Fig.8 Cutting force curve under different processing conditions

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同加工條件下z軸方向切削力變化不顯著，因此只研究工藝參數(shù)對(duì)x軸和y軸切削力影響。基于均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，得出影響因素與x軸和y軸切削力關(guān)系如公式（1）和（2）所示：

式中，X2為切削深度，X4為切削寬度。

通過關(guān)系式可以看出切削深度和切削寬度對(duì)x軸和y軸切削力影響最為顯著。其中切削深度和切削寬度對(duì)y軸切削力影響為獨(dú)立效應(yīng)，隨著切削深度和切削寬度的增加，y軸切削力呈二次方增長(zhǎng)。而切削深度和切削寬度對(duì)x軸切削力呈耦合效應(yīng)影響，其變化曲線如圖9所示。只有切削深度和切削寬度都較小，即刀具與工件接觸面積最小時(shí)，x軸切削力取得最小值。

圖9 切削深度和切削寬度對(duì)x方向切削力影響Fig.9 Effect of cutting depth and cutting width on cutting force in the x direction

3.2 對(duì)表面粗糙度的影響

透波性Si3N4陶瓷加工表面幅值參數(shù)值直接影響零部件與高速流動(dòng)氣體間摩擦。以表面均方根值Sq表征表面粗糙度，通過試驗(yàn)結(jié)果得到影響因素與表面均方根偏差關(guān)系如公式（3）所示：

圖10 耦合效應(yīng)對(duì)表面粗糙度影響Fig.10 Effect of cross effect on surface roughness

式中，X3為進(jìn)給速度。

可以看出，切削深度、進(jìn)給速度和切削寬度是影響加工表面粗糙度的主要因素，且為耦合效應(yīng)影響。各耦合效應(yīng)對(duì)表面粗糙度影響如圖10所示。當(dāng)切削深度和切削寬度較小時(shí)，即切削深度為0.2 mm和切削寬度為1 mm時(shí)，切削力也取得最小值，材料去除機(jī)理主要為陶瓷粉末去除，加工表面形貌變化平緩。進(jìn)給速度主要影響刀具與工件表面之間的摩擦，當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí)，摩擦力減小，進(jìn)而降低了加工表面粗糙度值［15］。

3.3 加工參數(shù)對(duì)邊緣破損影響

邊緣破損不僅影響陶瓷零部件加工效率和幾何精度，而且影響透波性Si3N4陶瓷零部件工作可靠性。為了研究加工參數(shù)對(duì)邊緣破損影響，通過圖像處理對(duì)邊緣破損曲線進(jìn)行了提取，并根據(jù)比例尺進(jìn)行了數(shù)值量化，如圖11所示。

圖11 提取后邊緣破損輪廓曲線Fig.11 Extracting the edge damage contour curve

邊緣破損輪廓為復(fù)雜曲線，采用輪廓均方根值表征邊緣破損幅值，如公式（4）所示：

通過試驗(yàn)結(jié)果，得到影響因素與加工表面邊緣破損幅值和加工側(cè)面邊緣破損幅值關(guān)系如公式（5）和（6）所示：

式中，X1為主軸轉(zhuǎn)速。

通過公式（5）可以看出，加工表面邊緣破損幅值隨切削深度增加呈二次方增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過圖7可以看出，當(dāng)切深為0.5 mm 時(shí)，切削力增加，且由于刀具與工件接觸面積更大，造成了邊緣破損更為嚴(yán)重。

同時(shí)加工表面邊緣破損幅值與主軸轉(zhuǎn)速和切削寬度呈相互耦合影響。主軸轉(zhuǎn)速和切削寬度對(duì)加工表面邊緣破損幅值影響如圖12所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，刀具對(duì)工件邊緣沖擊頻率增大；而且切削寬度越大，切削力值也越大，在強(qiáng)烈沖擊力作用下，刀刃處應(yīng)力顯著增加，從而使得邊緣破損體積增加，加工表面邊緣破損幅值增大。

通過公式（6）可以看出，加工側(cè)面邊緣破損幅值邊緣規(guī)律與加工表面一致，也主要受主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度的影響。由于加工側(cè)面邊緣破損與加工表面邊緣破損是同時(shí)發(fā)生的，且主要受切削力和微裂紋擴(kuò)展方向的影響，因此其變化規(guī)律相同。

圖12 主軸轉(zhuǎn)速和切削寬度對(duì)邊緣破損的影響Fig.12 Effect of spindle speed and cutting depth on edge chipping

4 結(jié)論

（1）透波性Si3N4陶瓷銑削加工材料去除形式主要有陶瓷粉末去除和破碎性顆粒去除，陶瓷粉末去除表面形貌較為平緩，而破碎性顆粒去除表面形貌包含微裂紋、層狀結(jié)構(gòu)體等，且存在凹坑、溝槽等缺陷；

（2）透波性Si3N4陶瓷銑削加工邊緣破損主要集中在出刀棱邊處，當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到出口棱邊處，刀尖應(yīng)力集中處將產(chǎn)生微裂紋，并向工件側(cè)面擴(kuò)展，從而在加工表面和加工側(cè)面誘導(dǎo)形成邊緣破損；

（3）影響切削力的主要因素是切削深度和切削寬度，且隨著切削深度在0.2～0.5 mm和切削寬度在1～4 mm的增加，x軸切削力耦合增長(zhǎng)，y軸切削力呈二次方增長(zhǎng)。影響表面粗糙度的主要因素是切削深度、進(jìn)給速度和切削寬度，且當(dāng)切削深度和切削寬度分別為0.2 mm和1 mm、進(jìn)給速度為500 mm/min時(shí)，加工表面粗糙度值最小。影響邊緣破損幅值的主要因素是主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度，且轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、切削深度和切削寬度最小時(shí)，邊緣破損幅值最小。