唐維，魏智勇，黃交虎，劉維，劉彤，章定國

(1.中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽621900;2.中國工程物理研究院 研究生部，四川 綿陽621900;3.南京理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京210094)

0 引言

機(jī)械加工廣泛運(yùn)用于武器戰(zhàn)斗部特別是大型武器戰(zhàn)斗部的炸藥件制造過程中，武器裝備技術(shù)的發(fā)展，使得炸藥件的曲面溝槽形狀變得復(fù)雜，尺寸精度和形位公差要求也日益提高，而炸藥材料的低強(qiáng)度尤其是低拉伸強(qiáng)度造就了炸藥構(gòu)件的脆性和低易損性，這種矛盾在細(xì)長(zhǎng)桿、薄壁炸藥件的加工中體現(xiàn)得尤為突出。

振動(dòng)切削技術(shù)自20 世紀(jì)60年代問世以來已獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是自2000年以來，材料科學(xué)的發(fā)展催生了一大批性能優(yōu)良但加工困難的新型材料，這對(duì)傳統(tǒng)切削提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而振動(dòng)切削憑借其可有效降低切削力、改善加工質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命的特點(diǎn)，在不包括炸藥材料在內(nèi)的光學(xué)玻璃、陶瓷、燒結(jié)碳化鎢、硬質(zhì)合金以及延性合金領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的運(yùn)用和推廣。Lee 等［1］的光學(xué)玻璃切削試驗(yàn)結(jié)果表明超聲振動(dòng)切削可獲得比傳統(tǒng)切削毛刺更少、精度更高的微型槽形狀。Liu 等［2］和Zhao 等［3］對(duì)鋁基碳化硅陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料(SiCp/Al)進(jìn)行了超聲振動(dòng)切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在較小的切削參數(shù)下可大幅度降低切削力，同時(shí)提高加工質(zhì)量。Nath等［4-5］報(bào)道了超聲振動(dòng)切削燒結(jié)碳化鎢時(shí)可降低切削力、改善加工質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命的結(jié)論。鎳718［6］、鈷鉻鉬合金［7］、銅合金［8-9］、鋁合金［10-12］及鎢合金［13］等的振動(dòng)切削試驗(yàn)都獲得了上述相似的結(jié)論。

以往的研究并未對(duì)炸藥材料進(jìn)行過超聲振動(dòng)切削試驗(yàn)，其他材料的振動(dòng)切削研究也未采取過在同一次切削過程中切換切削方式來對(duì)比切削力、加工表面的變化情況。文中研究采用開啟/關(guān)閉振動(dòng)切削裝置的方法實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)/傳統(tǒng)切削的切換，并在同一次切削過程中收集切削方式切換前后切削力、加工表面的數(shù)據(jù)變化情況，試驗(yàn)表明超聲振動(dòng)切削可有效降低切削力、緩解切削過程中刀尖對(duì)炸藥材料的擠壓;同時(shí)研究中還對(duì)比試驗(yàn)了細(xì)長(zhǎng)桿、薄壁炸藥件的產(chǎn)品制造能力，結(jié)果表明超聲振動(dòng)切削優(yōu)于傳統(tǒng)切削。

1 超聲振動(dòng)切削原理

振動(dòng)切削按刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡分為一維切向振動(dòng)切削和橢圓振動(dòng)切削，本研究采用較為成熟的一維切向振動(dòng)切削技術(shù);按振動(dòng)頻率可分為低頻振動(dòng)切削和高頻振動(dòng)切削，頻率超過20 kHz 的高頻振動(dòng)切削稱為超聲振動(dòng)切削，它可以使切屑的形成機(jī)理產(chǎn)生變化，也可以提高加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性［14］，圖1、圖2分別為傳統(tǒng)切削和振動(dòng)切削脆性材料時(shí)的示意圖，前者的切削力是一個(gè)圍繞某一數(shù)值波動(dòng)的連續(xù)函數(shù);振動(dòng)切削時(shí)的切削力理論上它只存在于一個(gè)周期T 內(nèi)的tc段(見圖3)，但實(shí)際上一方面由于振動(dòng)頻率很高，另一方面由于慣性效應(yīng)的影響，測(cè)試到的切削力通常不是脈沖式的，而是近似于整個(gè)時(shí)間T 上的平均值，如文獻(xiàn)［9 -11］中的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 傳統(tǒng)切削示意圖Fig.1 Sketch of conventional cutting

根據(jù)Nath 等［6］的研究成果:如圖3，刀具振動(dòng)時(shí)刀尖的位移函數(shù)x =Asin2πft，即時(shí)速度函數(shù)vt=dx/dt=A2πfcos2πft，最小即時(shí)速度為0，出現(xiàn)在刀尖的最大振幅處，最大即時(shí)速度為2πAf，出現(xiàn)在振幅為0 的初始點(diǎn)處。式中A 和f 分別表示刀尖的振幅和振動(dòng)頻率。只有當(dāng)2πAf 大于切削速度vc時(shí)，振動(dòng)切削的優(yōu)勢(shì)才能體現(xiàn)，即振動(dòng)切削的最大臨界切削速度為2πAf，且越小越有利。試驗(yàn)中據(jù)此制定試驗(yàn)方案。

圖2 振動(dòng)切削示意圖Fig.2 Sketch of ultrasonic vibration cutting

圖3 脈沖切削示意圖Fig.3 Sketch of intermittent cutting

2 炸藥對(duì)比切削試驗(yàn)的建立

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

試驗(yàn)旨在比較超聲振動(dòng)切削較之于傳統(tǒng)切削對(duì)炸藥機(jī)械加工的工藝適應(yīng)性，具體包括切削力、加工表面細(xì)觀特征、細(xì)長(zhǎng)桿/薄壁構(gòu)件的產(chǎn)品制造能力等3 項(xiàng)對(duì)比切削試驗(yàn)。每一組對(duì)比試驗(yàn)均選用相同的切削條件(工件材料、切削刀具、振動(dòng)參數(shù)和切削參數(shù))，試驗(yàn)中采用開啟/關(guān)閉超聲振動(dòng)切削裝置的辦法來實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切削與傳統(tǒng)切削之間的切換。

2.2 試驗(yàn)方案與儀器

試驗(yàn)在CAK63285D 型數(shù)控臥式車床上進(jìn)行;切削力對(duì)比試驗(yàn)采用定制R5 圓弧硬質(zhì)合金車刀(見圖4)，其余試驗(yàn)采用Tungaloy 公司的TCMT110204-PS 型硬質(zhì)合金車刀(三角形，刀片前角正7°、后角正7°、刀片厚度2.38 mm、切削刃長(zhǎng)6.35 mm、刀尖半徑0.4 mm，使用STTCR/L 螺釘夾緊型刀柄，主副偏角均為60°、刃傾角0°);產(chǎn)品制造能力對(duì)比試驗(yàn)中切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為0.1 mm/rev，初始切削速度為18.85 m/min，其余試驗(yàn)切削參數(shù)如表1，所有試驗(yàn)振動(dòng)參數(shù)如表1;工件材料為某高聚物粘結(jié)炸藥力學(xué)性能模擬材料。

圖4 定制車刀的參數(shù)Fig.4 Parameters of customized cutting tool

表1 切削參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)表Tab.1 Cutting and vibration parameters

試驗(yàn)中采用ZS30TCY 型超聲振動(dòng)切削裝置，通過開啟/關(guān)閉裝置的方法來實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)/傳統(tǒng)切削兩種方式的切換，振動(dòng)頻率和幅度通過外置的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。切削力、加工表面細(xì)觀特征對(duì)比切削試驗(yàn)擬在同一次切削過程中收集切削方式切換前后對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，細(xì)長(zhǎng)桿/薄壁件的產(chǎn)品制造能力擬對(duì)比兩種切削方式所能加工的極限尺寸。試驗(yàn)中刀具切削面(刃)的振動(dòng)方向不完全指向主切削方向，而與切深、進(jìn)給方向均存在一定夾角;切削力采用YDCB-Ⅲ05 型壓電石英測(cè)力儀測(cè)試，儀器采樣頻率為60 Hz，靈敏度為0.01 N;加工表面利用KH-3000型三維視頻光學(xué)顯微鏡觀測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 切削力

圖5為相同切削條件下兩種切削方式的切削力對(duì)比圖，其中圖5(a)和圖5(c)為由傳統(tǒng)切削切換到超聲振動(dòng)切削，圖5(b)和圖5(d)是由超聲振動(dòng)切削切換到傳統(tǒng)切削。

圖5 切削力比較Fig.5 Comparison between cutting forces

由圖中各向切削力曲線可以看出:兩種切削方式下曲線的波動(dòng)都比較大，這是炸藥模擬材料切削時(shí)切屑的脆性斷裂脫落導(dǎo)致的切削力跳躍引起的;更為重要的，振動(dòng)切削時(shí)的各向切削力較之于傳統(tǒng)切削下降明顯。表2詳細(xì)列出了各向切削力平衡狀態(tài)下某一時(shí)間段內(nèi)的平均值，可以發(fā)現(xiàn):各圖中切削力的下降程度均體現(xiàn)為主切削力＞切深抗力＞進(jìn)給抗力的特點(diǎn)，認(rèn)為這可能與各切削力方向上振動(dòng)分量的大小不無關(guān)系，綜合比較各向切削力，主切削力的下降幅度在61.75%～67.98%之間，切深抗力和進(jìn)給抗力的下降幅度分別為55.57%～65.56%和31.63%～42.29%.

表2 切削力變化情況表Tab.2 Changes of cutting forces

3.2 加工表面的細(xì)觀特征

與切削力比較試驗(yàn)類似，圖6(a)為包含兩種切削狀態(tài)在內(nèi)的加工表面50 倍下的顯微圖像，圖中左邊為超聲振動(dòng)切削區(qū)，右邊的傳統(tǒng)切削區(qū)，可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)切削區(qū)域縱向紋理明顯，有較為顯著的明暗條紋，張丘等［15］對(duì)炸藥加工表面的研究表明這種條紋是由于刀具尖端的擠壓造成的，且明條紋因?yàn)殓R面反射較強(qiáng)對(duì)應(yīng)著擠壓的區(qū)域，暗條紋因?yàn)槁瓷漭^強(qiáng)對(duì)應(yīng)著刀尖未擠壓區(qū)域;圖中超聲振動(dòng)切削區(qū)域基本無明顯的切削紋理，整個(gè)區(qū)域較傳統(tǒng)切削的灰暗，可以推斷振動(dòng)切削時(shí)刀尖對(duì)加工表面的擠壓得到了一定程度的緩解，致使其加工表面在光學(xué)顯微鏡下漫反射增強(qiáng)、鏡面反射減弱而顯得較為灰暗。圖6(b)、圖6(c)分別是超聲振動(dòng)切削和傳統(tǒng)切削加工表面更為精細(xì)的顯微圖像，上述特征可在圖中更為明顯地觀察到。

振動(dòng)切削時(shí)刀具與工件間擠壓的緩解，對(duì)于炸藥機(jī)械加工來說，一方面有助于降低加工表面的切削殘余應(yīng)力，減小戰(zhàn)斗部炸藥件在長(zhǎng)時(shí)間倉儲(chǔ)過程中的回復(fù)變形，這對(duì)大尺寸的精密炸藥件很有益處;另一方面，炸藥在加工前還需要經(jīng)歷造粒、壓制等環(huán)節(jié)，擠壓的緩解也有利于降低材料中意外出現(xiàn)硬質(zhì)雜質(zhì)時(shí)產(chǎn)生切削局部熱點(diǎn)進(jìn)而引發(fā)燃燒爆炸等事故的風(fēng)險(xiǎn);再者，擠壓的緩解也利于減少切削過程中的擠壓生成熱。定量的影響結(jié)果尚需開展測(cè)試試驗(yàn)確定。

3.3 產(chǎn)品制造能力

一直以來，由于炸藥材料的脆性特征，細(xì)長(zhǎng)桿件和薄壁件始終是炸藥件機(jī)械加工領(lǐng)域中的薄弱環(huán)節(jié)。試驗(yàn)采用相同材料和尺寸的炸藥模擬材料，在相同的切削條件下比較兩種切削方式的產(chǎn)品制造能力，切削時(shí)采用三爪卡盤夾持。

圖6 加工表面細(xì)觀特征比較Fig.6 Comparison between microscopic morphologies of UVC and CC

圖7 產(chǎn)品制造能力比較Fig.7 Comparison between manufacturing capabilities of UVC and CC

圖7(a)為細(xì)長(zhǎng)桿件的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，試樣的初始尺寸為φ40 mm ×100 mm，除夾持區(qū)域外的切削長(zhǎng)度為76 mm.傳統(tǒng)切削當(dāng)由φ14 mm 加工到φ13 mm，切削長(zhǎng)度約5 mm 時(shí)，細(xì)長(zhǎng)桿端部斷裂脫落;超聲振動(dòng)切削當(dāng)由φ9 mm 加工到φ8 mm，切削長(zhǎng)度約30 mm 時(shí)，在距細(xì)長(zhǎng)桿端部16 mm 處斷裂脫落。

薄壁件的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)，去表皮后試樣的初始尺寸為φ130.6 mm ×50 mm，內(nèi)孔直徑為φ50 mm，除夾持部分外的切削長(zhǎng)度為42 mm.傳統(tǒng)切削當(dāng)壁厚僅余1.3 mm，切削完成后發(fā)現(xiàn)薄壁距根部約5 mm 處出現(xiàn)明顯裂紋，拆卸時(shí)薄壁圓環(huán)脫落;超聲振動(dòng)切削當(dāng)壁厚僅余1.3 mm，切削完成后取下試樣，無宏觀裂紋產(chǎn)生。

試驗(yàn)結(jié)果表明:無論是細(xì)長(zhǎng)桿件還是薄壁件，超聲振動(dòng)切削都能獲得更為優(yōu)秀的切削效果。這與超聲振動(dòng)切削能有效降低切削力不無關(guān)系，細(xì)長(zhǎng)桿件和薄壁件的切削加工中，影響其切削效果的關(guān)鍵因素就是主切削力和切深抗力的大小，而超聲振動(dòng)切削大大減小了這兩個(gè)方向上的切削力。削力＞切深抗力＞進(jìn)給抗力，具體下降幅度范圍為61.75%～67.98%、55.57%～65.56%和31.63%～42.29%，這可能與切削刀具系統(tǒng)各實(shí)際切削方向上的振動(dòng)分量大小有關(guān)，且振動(dòng)分量越大切削力下降越明顯。

超聲振動(dòng)切削在一定程度上有利于緩解切削過程中刀具尖端與炸藥模擬材料之間的擠壓行為，進(jìn)而有望獲得表面殘余應(yīng)力更小的加工表面，同時(shí)降低擠壓生成熱和切削中意外遇到硬質(zhì)雜質(zhì)時(shí)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)引發(fā)燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

由于主切削力和切深抗力的大幅度下降，超聲振動(dòng)切削還可以增強(qiáng)細(xì)長(zhǎng)桿、薄壁類炸藥件的產(chǎn)品制造能力。

References)

4 結(jié)論

超聲振動(dòng)切削可有效降低炸藥模擬材料切削過程中的切削力，各向切削力的下降程度依次為主切

［1］ Jun-Seok L，Deng-Woo L，Yoong-Ho J，et al.A study on microgrooving characteristics of planar lightwave circuit and glass using ultrasonic vibration cutting［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，130 -131:396 -400.

［2］ Liu C S，Zhao B，Gao F，et al.Research on the characteristics of the cutting force in the vibration cutting of a particle-reinforced metal matrix composites SiCpAl［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，129(S1):196 -199.

［3］ Zhao B，Liu C S，et al.Research on the vibration cutting performance of particle reinforced metallic matrix composites SiCp/Al［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，129:380-384.

［4］ Nath C，Rahman M，Neok S，et al.A study on ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbide［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(9):4459 -4464.

［5］ Nath C，Rahman M，Neok S.A study on the effect of tool nose radius in ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbidel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(9):5830 -5836.

［6］ Nath C，Rahman M.Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting［J］.International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2008，48(9):965 -974.

［7］ SONGA Yong-chang，Criun-heng P，Toshimichi M.Mirror finishing of Co-Cr-Mo alloy using elliptical vibration cutting［J］.Precision Engineering，2010，34(4):784 -789.

［8］ Gi D K，Byaung G L.Characteristics of chip formation in micro Vgrooving using elliptical vibration cutting［J］.J.Micromech.Microeng，2007，17(8):1458 -1466.

［9］ Gi D K，Byaung G L.An ultrasonic elliptical vibration cutting device for micro V-groove machining:Kinematical analysis and micro V-groove machining characteristics［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，190(1 -3):181 -188.

［10］ Gi D K，Byaung G L.Characteristics of elliptical vibration cutting in micro-V grooving with variations in the elliptical cutting locus and excitation frequency［J］.J.Micromech.Microeng，2008，18:1306 -1317.

［11］ Kei Harada，Hiroyuki Sasahara.Effect of dynamic response and displacement/stress amplitude on ultrasonic vibration cutting［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(9):4490-4495.

［12］ Ho-Sang K，Sang-In K，Kwang-Il L，et al.Development of a programmable vibration cutting tool for diamond turning of hardened mold steels［J］.Int J Adv Manuf Technol，2009，40(1 -2):26 -40.

［13］ Suzuki N，Haritani M，Yang I，et al.Elliptical vibration cutting of tungsten alloy molds for optical glass parts［J］.Annals of the CIRP，2007，56(1):127 -130.

［14］ 馬春翔，社本英二，森肋俊道.超聲波橢圓振動(dòng)切削提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2004，25(6):752 -756.MA Chun-xiang，Hamoto E S，Moriw aki T.A study on the improvement of machining system stability by applying ultrasonic elliptical vibration cutting［J］.Acta Armamentarii，2004，25(6):752 -756.(in Chinese)

［15］ 張丘，黃交虎，尹銳，等.高聚物粘結(jié)炸藥切削表面的細(xì)觀形貌與形成機(jī)理［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31(10):1337 -1340.ZHANG Qiu，HUANG Jiao-hu，YIN Rui，et al.Micro-appearance and formation mechanisms of PBX cutting surface［J］.Acta Armamentarii，2010，31(10):1337 -1340.(in Chinese)