謝鳳英，張中偉，黃交虎，劉 維，肖才偉

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

1 引言

高聚物粘結(jié)炸藥（Polymer Bonded Explosive，PBX）作為武器系統(tǒng)爆轟和毀傷能量的關(guān)鍵材料，根據(jù)需要通過(guò)切削加工成結(jié)構(gòu)部件。PBX 炸藥材料在切削加工過(guò)程中，切削刀具作用在炸藥材料上的切削力直接影響切削過(guò)程的安全性，對(duì)炸藥部件的加工質(zhì)量、表面完整性及綜合性能具有重要影響［1］。PBX 炸藥材料是一種顆粒高度填充的非均質(zhì)、多相復(fù)合材料，密度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常見(jiàn)金屬［2］，其切削去除過(guò)程明顯區(qū)別于金屬材料和其他顆粒填充復(fù)合材料。為了準(zhǔn)確獲取炸藥材料加工切削力及其響應(yīng)規(guī)律，提升對(duì)PBX 炸藥材料切削過(guò)程中材料斷裂去除的認(rèn)識(shí)，有必要開(kāi)展PBX 炸藥材料切削過(guò)程的微觀過(guò)程動(dòng)態(tài)切削力變化規(guī)律分析和研究，提升炸藥材料切削過(guò)程的加工安全性和機(jī)理認(rèn)知。

監(jiān)測(cè)切削力是目前國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用最多也是最為有效的分析材料切削加工過(guò)程特性的方法之一［3］，20世紀(jì)80 年代，唐新初［4］開(kāi)展了炸藥切削力的動(dòng)態(tài)測(cè)試與研究，獲得了主切削力數(shù)據(jù)。隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展及其精度的提升，逐漸出現(xiàn)炸藥切削加工三向切削力研究。謝印國(guó)［5］研制了適用于高能材料切削加工的切削力測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高能炸藥材料三向銑削力的測(cè)試。劉維等［6］開(kāi)展了三向石英壓電式測(cè)力儀在炸藥切削中的應(yīng)用研究，為炸藥切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、切削力的數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)研究提供實(shí)驗(yàn)條件［7-9］。上述關(guān)于PBX 炸藥材料的切削力測(cè)試研究主要針對(duì)切削加工過(guò)程的安全性問(wèn)題來(lái)進(jìn)行切削力獲取和分析，未能通過(guò)切削去除過(guò)程微觀領(lǐng)域分析切削力大小及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，來(lái)分析炸藥材料加工的切削去除過(guò)程，缺乏對(duì)炸藥材料在瞬時(shí)去除過(guò)程中斷裂過(guò)程和表面形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

PBX 炸藥模擬材料具有非爆炸安全特點(diǎn)及其與PBX 炸藥材料相似的切削加工特性，廣泛應(yīng)用于替代炸藥材料開(kāi)展切削加工相關(guān)研究［10-12］。為了保證研究過(guò)程的安全，本研究以PBX 炸藥模擬材料為研究對(duì)象，采用低速正交切削試驗(yàn)方法，結(jié)合顯微攝像裝置、三向測(cè)力儀和三維表面輪廓儀聯(lián)合表征測(cè)試，研究了PBX 炸藥模擬材料在低速正交切削過(guò)程中的切削力響應(yīng)特征和變化規(guī)律，從切削力動(dòng)態(tài)變化的角度分析切削斷裂過(guò)程，為炸藥及其模擬材料切削加工表面成型特性分析提供理論基礎(chǔ)，對(duì)認(rèn)識(shí)炸藥切削機(jī)理及其切削加工安全性具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與儀器

材料：PBX 炸藥模擬材料，用于模擬HMX 基PBX的切削加工性能，由中物院化工材料研究所提供，炸藥模擬晶體顆粒質(zhì)量占比約為95%。

儀器：三軸加工中心，KISTLER 三向測(cè)力儀，NANOVEA PS50 三維光學(xué)輪廓儀。顯微攝像裝置由GC-P100 型攝像機(jī)和上海長(zhǎng)方光學(xué)儀器的ZOOM-650E型體式顯微鏡組裝構(gòu)成。刀具采用刀尖角為60°的三角形刀片，前角10°，后角11°，刀具材料為硬質(zhì)合金。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

切削實(shí)驗(yàn)采用刀具固定、工件隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的正交切削方式，攝像裝置透過(guò)體式顯微鏡實(shí)時(shí)記錄放大后的切削區(qū)域工件材料在刀具作用下去除情況，測(cè)力儀同步記錄材料去除過(guò)程的瞬時(shí)切削力，正交切削試驗(yàn)裝置組成如圖1 所示。結(jié)合炸藥材料切削加工的工藝過(guò)程特點(diǎn)［7］，工件通過(guò)預(yù)先制樣加工后采用專(zhuān)用壓板進(jìn)行固定，并通過(guò)百分表找正調(diào)平，保證工件切削表面水平，選取表1 所示的正交切削試驗(yàn)參數(shù)，在干切削狀態(tài)下工作臺(tái)沿x方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行切削表面加工，采用光學(xué)輪廓儀對(duì)正交切削表面進(jìn)行三維表征。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

經(jīng)三向測(cè)力儀測(cè)試獲得的實(shí)時(shí)切削力fi，是有方向的動(dòng)態(tài)力信號(hào)。按照公式（1）計(jì)算平均切削力fave，公式（2）計(jì)算最大切削力fmax，公式（3）計(jì)算切削力的標(biāo)準(zhǔn)偏差fstdev，公式（4）計(jì)算最大切削力與平均切削力的比值R。

圖1 正交切削試驗(yàn)裝置示意圖1—測(cè)力儀，2—工件，3—壓板，4—機(jī)床刀柄，5—刀具，6—體視顯微鏡，7—攝像機(jī)Fig.1 Schematic of orthogonal cutting experiment system 1—dynamometer，2—workpiece，3—platen，4—tool shank，5—cutting tool，6—stereomicroscope，7—camera

3 結(jié)果與討論

3.1 典型切削過(guò)程的瞬時(shí)切削力特性分析

炸藥模擬材料的切削表面成型過(guò)程受切削深度影響顯著，在不同切深范圍內(nèi)的瞬時(shí)切削力動(dòng)態(tài)變化曲線如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)切深為0.1 mm（圖2a）時(shí)，切削力曲線表現(xiàn)較為平穩(wěn)，切屑呈蜷曲噴射狀，具有連續(xù)細(xì)小鋸齒狀特性，這表明該過(guò)程極少有較大的脆性斷裂現(xiàn)象發(fā)生，切削力曲線中的小波峰主要由PBX模擬材料組分中晶體顆粒切屑生成引起；由圖2b 和圖2c 可見(jiàn)，隨著切深的增加，瞬時(shí)切削力曲線上波峰與波谷較為明顯，切削力曲線具有明顯大鋸齒狀特性。當(dāng)切深為0.3 mm 時(shí)，切削力發(fā)生周期性變化，PBX 模擬材料在切削區(qū)發(fā)生明顯的周期性斷裂，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)形成周期峰值，斷裂裂紋由刀尖延伸至待加工表面。切屑剝落后，刀具前方的實(shí)際切削深度明顯減小，形成連續(xù)切削過(guò)程，實(shí)際切深逐漸增大，切削力曲線變?yōu)樾′忼X狀，當(dāng)切深增大到一定范圍時(shí)又發(fā)生脆性斷裂去除過(guò)程，進(jìn)而周期性的交替以“名義切深”與“實(shí)際切深”切削去除。由圖2c 可見(jiàn)，當(dāng)切深為0.5 mm 時(shí)，切削力波動(dòng)幅值顯著增加，形成明顯的脆性斷裂去除過(guò)程。切深從0.3 mm 增至0.5 mm 時(shí)，水平分力fx的波動(dòng)幅值從5.0 N 增至12.05 N，垂直分力fz多次減小至零點(diǎn)，這是由于切深增大后，脆性斷裂去除產(chǎn)生了過(guò)切凹坑，在切削時(shí)刀具與材料形成局部接觸甚至空切，實(shí)際沒(méi)有材料的切削去除，引起切削力急劇下降的切削過(guò)程。

表1 炸藥模擬材料正交切削試驗(yàn)參數(shù)Table1 Cutting parameters of orthogonal cutting of explosive simulants

圖2 炸藥模擬材料典型切削過(guò)程的切削力曲線Fig.2 Cutting force curves of typical cutting process of explosive simulants

圖2d 為過(guò)切凹坑形成時(shí)的切削力響應(yīng)曲線。由圖2d 可見(jiàn)，在時(shí)刻t1之前，fy與fz較為平穩(wěn)，刀具與材料之間應(yīng)為連續(xù)擠壓作用，產(chǎn)生粉末與顆粒切屑。而fx呈增大趨勢(shì)，是粉屑?jí)簩?shí)成核代替刀尖作用，引起的剪切應(yīng)力集中，壓實(shí)核的剝落、破裂引起fx小幅波動(dòng)。在時(shí)刻t2，斷裂裂紋向工件內(nèi)部擴(kuò)展至過(guò)切深點(diǎn)，fx達(dá)到最大峰值，fy和fz逐漸減小，之后切削達(dá)到過(guò)切深點(diǎn)，刀具與工件之間僅局部接觸，fz降至-0.1 N，負(fù)值可能為切削加工導(dǎo)致的刀具-工件系統(tǒng)的振動(dòng)作用導(dǎo)致，直至?xí)r刻t3切屑剝離，實(shí)際切除切削深度變?yōu)榱?，不發(fā)生材料去除過(guò)程，三向切削力均降為零點(diǎn)。

3.2 切削參數(shù)對(duì)切削力響應(yīng)規(guī)律的影響

3.2.1 切削深度的影響

切削力的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差隨切削深度的變化反映了炸藥模擬材料的不同去除過(guò)程，如圖3 所示。由圖3a 可見(jiàn)，切深≤0.3 mm，三向分力的平均值隨切深的增加緩慢增大，之后隨著切深的增加，fx與fy的平均值上升速率增大，fz的平均值逐漸減小。切削力的平均值由波峰、波谷及其分布共同確定，在大切深下，刀具與工件之間空切增多，fz為零值和負(fù)值的分布增多，使其總體平均值下降。由圖3b 可見(jiàn)，隨著切深的增加，炸藥模擬材料的脆性去除越發(fā)明顯，實(shí)際切深的交替變化引起切削力幅值的周期性波動(dòng)，從切削力曲線上體現(xiàn)為切削力標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，三向分力中fx的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)切削狀態(tài)的變化最為敏感。當(dāng)切深從0.1 mm 增至0.2 mm 時(shí)，切削過(guò)程從連續(xù)擠壓去除逐漸產(chǎn)生脆性斷裂去除，fx的標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.51N 增大至0.79 N；當(dāng)切深從0.2 mm 增至0.3 mm 時(shí)，均以實(shí)際切深不超過(guò)名義切深的方式去除為主，fx的標(biāo)準(zhǔn)偏差變化較小，僅從0.79N 增大至1.46N；當(dāng)切深從0.4 mm增至0.8 mm 時(shí)，切削過(guò)程中過(guò)切現(xiàn)象逐漸增多，fx的標(biāo)準(zhǔn)偏差從1.46 N 驟增至3.14 N。切削狀態(tài)的變化對(duì)fy與fz的標(biāo)準(zhǔn)偏差影響較小，當(dāng)切深增加時(shí)，fy的標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸小幅增大，fz的標(biāo)準(zhǔn)偏差值較小，并且變化幅度也較小。切深變化對(duì)主切削力fx周期性波動(dòng)影響較大，對(duì)fy的波動(dòng)影響次之，對(duì)fz的波動(dòng)影響最小。

圖3 切深對(duì)炸藥模擬材料切削力的影響（W=0.5 mm，υ =50 mm·min-1）Fig.3 Impact of cutting depth on cutting force of explosive simulants（W=0.5 mm，υ=50 mm·min-1）

不同切深下炸藥模擬材料切削力最大值與平均值比值R如表2 所示，當(dāng)切深達(dá)到0.4 mm，瞬時(shí)切削力可以達(dá)到平均切削力的3 倍及以上，fx與fy的平均值，fx的標(biāo)準(zhǔn)偏差開(kāi)始劇增，fz的平均值開(kāi)始減小，切削凹坑缺陷明顯，切削區(qū)材料脆性斷裂裂紋向工件內(nèi)部擴(kuò)展開(kāi)始增多。綜上，炸藥模擬材料切削成型存在一個(gè)臨界特征切深0.4 mm，反映了炸藥模擬材料切削狀態(tài)由連續(xù)去除到脆性去除的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，在炸藥材料進(jìn)行安全切削加工分析和裝夾可靠性分析計(jì)算時(shí)，只考慮平均切削力是不全面的甚至是不夠合理的，需要考慮瞬態(tài)最大切削力的作用進(jìn)行炸藥材料切削加工過(guò)程安全性分析。不同切深下獲得的切削表面形貌（圖4）可以驗(yàn)證上述切削過(guò)程切削力特性的分析。在切深為0.1 mm（圖4a）時(shí)，形成表面質(zhì)量較好，但由于顆粒切屑的生成和顆粒的拔出，邊緣處有微細(xì)崩落；隨著切深的增加，切削表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的凹坑缺陷；在中等切深0.3 mm（圖4b）時(shí)，切削產(chǎn)生的凹坑較少，說(shuō)明實(shí)際去除深度一般不超過(guò)名義切深。對(duì)比同樣掃面面積下，0.8 mm 切深下獲得的切削表面（圖4c）過(guò)切凹坑數(shù)量顯著增加，說(shuō)明超過(guò)名義切深的材料去除狀態(tài)增多，切削脆性斷裂導(dǎo)致切削力的波動(dòng)必然大于0.3 mm切深下切削力的變化。

表2 不同切深下炸藥模擬材料不同方向切削力最大值與平均值比值Table2 Ratio of maximum value to average value of cutting force of explosive simulants with different directions at different cutting depths

圖4 不同切深下炸藥模擬材料的切削表面形貌（W=0.5 mm，υ=50 mm·min-1）Fig.4 Impact of cutting depth on cutting surface of explosive simulants（W=0.5 mm，υ=50 mm·min-1）

3.2.2 切削寬度的影響

切削力變化規(guī)律分析表明，切削寬度對(duì)炸藥模擬材料去除過(guò)程的影響與切削深度的變化密切相關(guān)，如圖5a和圖5b 所示。在0.1 mm 切深下，切削寬度對(duì)fx的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響均較小，在0.3 mm 及0.5 mm 切深下，隨著切削寬度的增加，fx的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差均增大。這是由于在0.1 mm 切深時(shí)，脆性斷裂去除情況較少，切削寬度的變化對(duì)切削力波動(dòng)的影響相對(duì)較小。當(dāng)切深增大后，切削過(guò)程中的脆性斷裂逐漸增多，主切削力fx波動(dòng)增加。同時(shí)，在切削加工過(guò)程中的微裂紋易在有微缺陷和材料損傷的地方產(chǎn)生，實(shí)際正交切削試驗(yàn)時(shí)，由于材料內(nèi)部存在的損傷和內(nèi)部缺陷也使得由于切削寬度的增加導(dǎo)致了裂紋源增多，增大了裂紋成核與擴(kuò)展的概率，切削力的波動(dòng)亦會(huì)增大。

圖5 切削寬度對(duì)炸藥模擬材料切削力的影響（υ=50 mm·min-1）Fig.5 Impact of cutting width on cutting force of explosive simulants（υ=50 mm·min-1）

3.2.3 切削速度的影響

如圖6所示，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)（υ≤500 mm·min-1，W≤2.0 mm），切削速度對(duì)炸藥模擬材料切削力的影響小于切削寬度。在相同切深下，fx的平均值（圖6a）及其標(biāo)準(zhǔn)偏差（圖6b）隨切削速度的變化均變化較小，這與金屬材料切削力變化規(guī)律一致。同時(shí)，隨著切削速度的增加，切削力平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差先呈緩慢下降然后緩慢上升趨勢(shì)，可能是隨著切削速度的增加也會(huì)增加單位時(shí)間內(nèi)摩擦熱的產(chǎn)生，一定程度提高了切削過(guò)程的切削溫度，增強(qiáng)了材料的塑性變形能力。切削速度的進(jìn)一步增大同時(shí)也導(dǎo)致切削斷裂區(qū)主裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生分支裂紋數(shù)量增多［12］，進(jìn)而引起切削力波動(dòng)的變化。

圖6 切削速度對(duì)炸藥模擬材料切削力及表面形貌的影響（W=0.5 mm）Fig.6 Impact of cutting speed on cutting force and cutting surface of explosive simulants（W=0.5 mm）

4 結(jié)論

（1）不同的切削深度PBX 炸藥模擬材料的動(dòng)態(tài)切削力響應(yīng)的變化規(guī)律不同。切深為0.1 mm 時(shí)，切削力曲線呈微細(xì)鋸齒狀動(dòng)態(tài)特征變化，切削力曲線呈微細(xì)鋸齒狀動(dòng)態(tài)特征變化，極少有大的脆性去除和切削凹坑缺陷產(chǎn)生。在切深為0.3 mm 和0.5 mm 時(shí)，材料切削斷裂裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展產(chǎn)生周期性，切削力呈周期性的大鋸齒狀特性變化，切削至凹坑缺陷處fz降至0。

（2）由顆粒高度填充的非均質(zhì)多相復(fù)合的PBX 炸藥模擬材料切削成型存在臨界特征切深0.4 mm，切削狀態(tài)由連續(xù)去除到脆性去除轉(zhuǎn)變的切削深度，導(dǎo)致切削過(guò)程中產(chǎn)生凹坑缺陷明顯，切削區(qū)材料脆性斷裂裂紋向工件內(nèi)部擴(kuò)展開(kāi)始增多。

（3）在切深為0.1 mm 時(shí)，切削加工形成表面質(zhì)量較好，表面光潔完整，只存在少量顆粒拔出和切削邊緣微細(xì)崩落。隨著切深的增加，切削表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的凹坑缺陷，逐漸出現(xiàn)數(shù)量較多的過(guò)切凹坑缺陷。切削速度與切削寬度通過(guò)影響裂紋形成與擴(kuò)展影響材料的去除過(guò)程，對(duì)切削力的影響與切削深度密切相關(guān)。

（4）從瞬時(shí)動(dòng)態(tài)切削力的角度闡釋炸藥模擬材料的切削斷裂變化過(guò)程，炸藥材料進(jìn)行安全切削加工分析和裝夾可靠性分析計(jì)算時(shí)，只考慮平均切削力是不全面的甚至是不夠合理的，需要考慮瞬態(tài)最大切削力的作用進(jìn)行炸藥材料切削加工過(guò)程安全性分析。