PBX炸藥模擬材料正交切削的切削力響應(yīng)規(guī)律

謝鳳英，張中偉，黃交虎，劉 維，肖才偉

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 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)需要通過切削加工成結(jié)構(gòu)部件。PBX 炸藥材料在切削加工過程中，切削刀具作用在炸藥材料上的切削力直接影響切削過程的安全性，對炸藥部件的加工質(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，密度和抗拉強度遠遠低于常見金屬［2］，其切削去除過程明顯區(qū)別于金屬材料和其他顆粒填充復(fù)合材料。為了準確獲取炸藥材料加工切削力及其響應(yīng)規(guī)律，提升對PBX 炸藥材料切削過程中材料斷裂去除的認識，有必要開展PBX 炸藥材料切削過程的微觀過程動態(tài)切削力變化規(guī)律分析和研究，提升炸藥材料切削過程的加工安全性和機理認知。

監(jiān)測切削力是目前國內(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程特性的方法之一［3］，20世紀80 年代，唐新初［4］開展了炸藥切削力的動態(tài)測試與研究，獲得了主切削力數(shù)據(jù)。隨著測試技術(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［5］研制了適用于高能材料切削加工的切削力測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了高能炸藥材料三向銑削力的測試。劉維等［6］開展了三向石英壓電式測力儀在炸藥切削中的應(yīng)用研究，為炸藥切削過程的動態(tài)監(jiān)測、切削力的數(shù)值模擬與預(yù)測研究提供實驗條件［7-9］。上述關(guān)于PBX 炸藥材料的切削力測試研究主要針對切削加工過程的安全性問題來進行切削力獲取和分析，未能通過切削去除過程微觀領(lǐng)域分析切削力大小及其動態(tài)變化規(guī)律，來分析炸藥材料加工的切削去除過程，缺乏對炸藥材料在瞬時去除過程中斷裂過程和表面形成機理的認識。

PBX 炸藥模擬材料具有非爆炸安全特點及其與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展切削加工相關(guān)研究［10-12］。為了保證研究過程的安全，本研究以PBX 炸藥模擬材料為研究對象，采用低速正交切削試驗方法，結(jié)合顯微攝像裝置、三向測力儀和三維表面輪廓儀聯(lián)合表征測試，研究了PBX 炸藥模擬材料在低速正交切削過程中的切削力響應(yīng)特征和變化規(guī)律，從切削力動態(tài)變化的角度分析切削斷裂過程，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)，對認識炸藥切削機理及其切削加工安全性具有重要意義。

2 實驗部分

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 型攝像機和上海長方光學(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 實驗方法

切削實驗采用刀具固定、工件隨工作臺運動的正交切削方式，攝像裝置透過體式顯微鏡實時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，測力儀同步記錄材料去除過程的瞬時切削力，正交切削試驗裝置組成如圖1 所示。結(jié)合炸藥材料切削加工的工藝過程特點［7］，工件通過預(yù)先制樣加工后采用專用壓板進行固定，并通過百分表找正調(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參數(shù)，在干切削狀態(tài)下工作臺沿x方向運動，進行切削表面加工，采用光學(xué)輪廓儀對正交切削表面進行三維表征。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

經(jīng)三向測力儀測試獲得的實時切削力fi，是有方向的動態(tài)力信號。按照公式（1）計算平均切削力fave，公式（2）計算最大切削力fmax，公式（3）計算切削力的標準偏差fstdev，公式（4）計算最大切削力與平均切削力的比值R。

圖1 正交切削試驗裝置示意圖1—測力儀，2—工件，3—壓板，4—機床刀柄，5—刀具，6—體視顯微鏡，7—攝像機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 典型切削過程的瞬時切削力特性分析

炸藥模擬材料的切削表面成型過程受切削深度影響顯著，在不同切深范圍內(nèi)的瞬時切削力動態(tài)變化曲線如圖2 所示。由圖2 可見，當切深為0.1 mm（圖2a）時，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)細小鋸齒狀特性，這表明該過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，隨著切深的增加，瞬時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。當切深為0.3 mm 時，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)擴展時形成周期峰值，斷裂裂紋由刀尖延伸至待加工表面。切屑剝落后，刀具前方的實際切削深度明顯減小，形成連續(xù)切削過程，實際切深逐漸增大，切削力曲線變?yōu)樾′忼X狀，當切深增大到一定范圍時又發(fā)生脆性斷裂去除過程，進而周期性的交替以“名義切深”與“實際切深”切削去除。由圖2c 可見，當切深為0.5 mm 時，切削力波動幅值顯著增加，形成明顯的脆性斷裂去除過程。切深從0.3 mm 增至0.5 mm 時，水平分力fx的波動幅值從5.0 N 增至12.05 N，垂直分力fz多次減小至零點，這是由于切深增大后，脆性斷裂去除產(chǎn)生了過切凹坑，在切削時刀具與材料形成局部接觸甚至空切，實際沒有材料的切削去除，引起切削力急劇下降的切削過程。

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

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

圖2d 為過切凹坑形成時的切削力響應(yīng)曲線。由圖2d 可見，在時刻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，是粉屑壓實成核代替刀尖作用，引起的剪切應(yīng)力集中，壓實核的剝落、破裂引起fx小幅波動。在時刻t2，斷裂裂紋向工件內(nèi)部擴展至過切深點，fx達到最大峰值，fy和fz逐漸減小，之后切削達到過切深點，刀具與工件之間僅局部接觸，fz降至-0.1 N，負值可能為切削加工導(dǎo)致的刀具-工件系統(tǒng)的振動作用導(dǎo)致，直至?xí)r刻t3切屑剝離，實際切除切削深度變?yōu)榱?，不發(fā)生材料去除過程，三向切削力均降為零點。

3.2 切削參數(shù)對切削力響應(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準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程，如圖3 所示。由圖3a 可見，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為零值和負值的分布增多，使其總體平均值下降。由圖3b 可見，隨著切深的增加，炸藥模擬材料的脆性去除越發(fā)明顯，實際切深的交替變化引起切削力幅值的周期性波動，從切削力曲線上體現(xiàn)為切削力標準偏差的變化。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，三向分力中fx的標準偏差對切削狀態(tài)的變化最為敏感。當切深從0.1 mm 增至0.2 mm 時，切削過程從連續(xù)擠壓去除逐漸產(chǎn)生脆性斷裂去除，fx的標準偏差從0.51N 增大至0.79 N；當切深從0.2 mm 增至0.3 mm 時，均以實際切深不超過名義切深的方式去除為主，fx的標準偏差變化較小，僅從0.79N 增大至1.46N；當切深從0.4 mm增至0.8 mm 時，切削過程中過切現(xiàn)象逐漸增多，fx的標準偏差從1.46 N 驟增至3.14 N。切削狀態(tài)的變化對fy與fz的標準偏差影響較小，當切深增加時，fy的標準偏差逐漸小幅增大，fz的標準偏差值較小，并且變化幅度也較小。切深變化對主切削力fx周期性波動影響較大，對fy的波動影響次之，對fz的波動影響最小。

圖3 切深對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，當切深達到0.4 mm，瞬時切削力可以達到平均切削力的3 倍及以上，fx與fy的平均值，fx的標準偏差開始劇增，fz的平均值開始減小，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)部擴展開始增多。綜上，炸藥模擬材料切削成型存在一個臨界特征切深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，在炸藥材料進行安全切削加工分析和裝夾可靠性分析計算時，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行炸藥材料切削加工過程安全性分析。不同切深下獲得的切削表面形貌（圖4）可以驗證上述切削過程切削力特性的分析。在切深為0.1 mm（圖4a）時，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，邊緣處有微細崩落；隨著切深的增加，切削表面開始出現(xiàn)細小的凹坑缺陷；在中等切深0.3 mm（圖4b）時，切削產(chǎn)生的凹坑較少，說明實際去除深度一般不超過名義切深。對比同樣掃面面積下，0.8 mm 切深下獲得的切削表面（圖4c）過切凹坑數(shù)量顯著增加，說明超過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，切削寬度對炸藥模擬材料去除過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fx的平均值及其標準偏差的影響均較小，在0.3 mm 及0.5 mm 切深下，隨著切削寬度的增加，fx的平均值及其標準偏差均增大。這是由于在0.1 mm 切深時，脆性斷裂去除情況較少，切削寬度的變化對切削力波動的影響相對較小。當切深增大后，切削過程中的脆性斷裂逐漸增多，主切削力fx波動增加。同時，在切削加工過程中的微裂紋易在有微缺陷和材料損傷的地方產(chǎn)生，實際正交切削試驗時，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展的概率，切削力的波動亦會增大。

圖5 切削寬度對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，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)（υ≤500 mm·min-1，W≤2.0 mm），切削速度對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）及其標準偏差（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，隨著切削速度的增加，切削力平均值及其標準偏差先呈緩慢下降然后緩慢上升趨勢，可能是隨著切削速度的增加也會增加單位時間內(nèi)摩擦熱的產(chǎn)生，一定程度提高了切削過程的切削溫度，增強了材料的塑性變形能力。切削速度的進一步增大同時也導(dǎo)致切削斷裂區(qū)主裂紋失穩(wěn)擴展時產(chǎn)生分支裂紋數(shù)量增多［12］，進而引起切削力波動的變化。

圖6 切削速度對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 炸藥模擬材料的動態(tài)切削力響應(yīng)的變化規(guī)律不同。切深為0.1 mm 時，切削力曲線呈微細鋸齒狀動態(tài)特征變化，切削力曲線呈微細鋸齒狀動態(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，材料切削斷裂裂紋失穩(wěn)擴展產(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)部擴展開始增多。

（3）在切深為0.1 mm 時，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崩落。隨著切深的增加，切削表面開始出現(xiàn)細小的凹坑缺陷，逐漸出現(xiàn)數(shù)量較多的過切凹坑缺陷。切削速度與切削寬度通過影響裂紋形成與擴展影響材料的去除過程，對切削力的影響與切削深度密切相關(guān)。

（4）從瞬時動態(tài)切削力的角度闡釋炸藥模擬材料的切削斷裂變化過程，炸藥材料進行安全切削加工分析和裝夾可靠性分析計算時，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行炸藥材料切削加工過程安全性分析。