車削Si3N4陶瓷的表面質量形成機理研究

王明海,李雅楠,孔憲俊

1沈陽航空航天大學機電工程學院;2沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室

1 引言

難加工材料在航空航天、汽車、核能、醫療以及軍事等領域得到越來越廣泛的應用,同時對復雜耐磨成型工具的需求日益增加,需要高效的制造工藝[1]。由于新制造技術的發展,材料的種類仍在擴大,目前來說,難加工材料主要包括不銹鋼、鈦合金、鈷合金、鎳合金、復合材料和陶瓷等[2]。Zhao G.等[3]建立了車削難加工材料的能耗預測模型,與基于材料去除率的機床能耗預測模型相比,基于刀具磨損、主軸轉速和材料去除率的機床能耗預測模型具有更高的預測精度。Dehghan S.等[4]研究了難加工材料鉆孔時的微觀組織變化和刀具磨損情況,提供了一個增強的工件微觀結構表征和工具條件。周知進等[5]對難加工材料鈦合金的工藝參數優化、加工表面完整性研究、超低溫切削技術和刀具冷卻等方面進行了總結與展望。黃遜彬等[6]討論了難加工材料氧化鋯陶瓷的超硬金剛石微銑削加工的可行性,并對其加工工藝參數進行了優化。

近幾年隨著工程陶瓷高速發展,其在航空航天、國防軍事、電子通信和新能源等領域具有很大的發展前景[7]。氮化硅陶瓷(Si3N4)是由N原子和Si原子組成的共價鍵化合物,其共價鍵程度達到70%,基本的結構單位是四面體[SiN4]4-,Si原子的位置位于正中心,N原子分布在四周[8],被廣泛用作超高溫結構材料、散熱功能材料和耐磨耐腐蝕材料[9]。目前,工程陶瓷的主要加工方式為磨削加工,去除過程主要為脆性去除和粉末化去除[10]。謝桂芝等[11]對工程陶瓷材料進行了高效深磨的試驗研究發現,在加工陶瓷材料時,除了受到加工條件的影響還會受材料本身的顯微結構和相關力學條件的影響。硬脆性材料在進行脆性去除和粉末性去除后,材料表面容易產生細小裂紋。Ou Z.C.等[12]建立了準脆性材料的泛形裂紋的擴展模型,利用ABAQUS軟件進行了相關數值分析。含有裂紋的脆性固體應用在工程中被認為極其危險,裂紋的擴展加劇了脆性固體的破壞,增加了破壞預測的復雜性[13]。脆性材料中裂紋的擴展方向均不同,一旦達到起裂的臨界條件,就會開始高速裂紋擴展[14]。

本文采用正交試驗的方法對航空材料硬脆特性的工程陶瓷Si3N4陶瓷進行傳統車削加工,對加工后的材料表面形貌進行觀測,觀察表面裂紋的分布情況,同時對切削溫度、切削力、刀具損傷情況及切屑狀態進行觀察,得到參數的影響規律,為車削Si3N4陶瓷提供試驗基礎。

2 試驗條件和方案

試驗材料選取硬脆工程陶瓷Si3N4,這是一種理想的高溫結構超硬材料,其發生相變的溫度點為1900℃,相關物理參數見表1。加工相關超硬材料需要使用超硬材料的刀具,本次試驗選取CBN材料作為刀具材料,表2為CBN刀具的相關參數。

表1 Si3N4陶瓷的物理參數

表2 CBN刀具相關參數

采用直徑為30mm、長為150mm的Si3N4陶瓷棒進行試驗研究,選用CAK4085n數控機床進行相關的車削加工,最高主軸轉速為2000r/min,同時利用瑞士Kistler測力儀及DynoWare測力軟件測量切削過程中的切削力,使用FLIR T630sc熱成像儀及FLIR ResearchIR Max軟件記錄和測量加工過程中產生的切削熱,采用VHX-J250超景深顯微鏡觀測加工后材料的表面形貌,圖1為車削加工試驗原理。

圖1 車削原理

選取正交試驗的方式,如表3所示,根據材料本身的特性和實際的工程應用原則選擇三水平三因素的正交試驗,具體試驗的切削參數如表4所示。

表3 正交因素水平

表4 車削正交試驗切削用量

3 試驗結果分析

3.1 表面形貌及Si3N4表面裂紋擴展機理

通過超景深顯微鏡觀測車削后陶瓷材料表面的裂紋生成及內部擴展情況,結果如圖2所示。從圖2a中可以看到,陶瓷材料表面布滿細小裂紋,由于陶瓷材料硬脆的特點,在車削力的作用下陶瓷表面的裂紋會出現裂紋斷裂層,這會使材料本身表面的裂紋兩側產生高度不一致的情況。與此同時,在進行相關車削加工試驗時,由于材料本身硬度大,與刀具接觸時車床—陶瓷棒料—刀具系統容易發生顫振反應,導致加工過程中在材料表面產生振紋,從而影響加工后的表面質量(見圖2b)。觀測發現,車削加工后的表面主要以橫向裂紋(平行于車削表面的方向)為主,并逐漸向四周及內部蔓延擴展,產生表面損傷和亞表面損傷,這些細小裂紋的存在與擴展嚴重影響了加工后的表面質量,使材料存在斷裂的風險。加工后的Si3N4陶瓷材料表面不僅有橫向裂紋,同時也有縱向裂紋,縱向裂紋在擴展過程中通常會出現裂紋中斷的現象,在殘余熱應力的作用下,中斷處產生與原裂紋方向相同或是相近的新裂紋(見圖2c)。在陶瓷表面裂紋的擴展過程中,由于力的作用會改變裂紋本身擴展的方向,從而出現橫縱裂紋相交蔓延的現象(見圖2d)。如圖2e所示,無法預測裂紋運動的方向,裂紋的擴展是無方向性無規則性且非單一方向擴展,在裂紋擴展過程中其方向一定會存在明顯的變化。橫向裂紋和縱向裂紋均會在擴展路徑上的某點生出沿著其他方向擴展的裂紋,甚至會改變原來裂紋的擴展方向,在車削過程中,由于對陶瓷材料進行脆性去除,產生的橫縱向裂紋交互擴展會造成材料的脆性剝落形成片狀切屑(見圖2f),從而在表面形成大小不一的凹坑。在車削過程中,刀具切削陶瓷材料時由于摩擦和切削力的共同作用,部分刀具材料在車削加工之后會殘留于加工材料表面(見圖2g),可以看出,在加工后的Si3N4陶瓷材料表面存在CBN刀具的黃色刀具殘留。

(a) (c)

3.2 切削溫度分析

刀具在切削過程中產生切削熱是重要的物理現象,對切削過程有多方面的影響,當切削熱傳遞到工件表面上時,可能會造成工件的熱變形,從而影響加工質量,降低加工表面精度,進而影響加工效率并增加生產成本,因此,有必要對加工過程中產生的切削熱進行分析(見圖3)。

(a)各組試驗溫度柱狀圖

試驗時,將紅外線測溫系統對準切削區域,同時采集實時溫度為正交試驗9組的平均溫度(見圖3a),可以清楚看到第三組的溫度最高(達336℃),第5組和第7組的溫度稍低(292.7℃和221.3℃),剩下的組別溫度<200℃。分析溫度較高的三組試驗可以看出,共同特點是進給量均為0.3mm/r。圖3b為溫度對各個切削參數的影響柱狀圖,從柱狀圖的高度差可以看出,進給量對切削溫度的影響最大,進給量越大,切削溫度越高,當切削深度為0.05mm時,產生的切削熱最低;當切削深度為0.1mm和0.15mm時,柱狀圖的高度差相近,溫度在200℃左右。同樣,當切削速度為100m/min時,系統所產生的切削熱量相比于其他兩個數據最低。從柱狀圖的高度差來看,切削深度的高度差要大于切削速度的高度差,所以切削深度對切削溫度的影響大于切削速度。圖3c極值與切削參數的關系也證明了這一點,極值最高的是進給量,其次是切削深度,最后是切削速度,極值越高,說明其切削參數對切削溫度的靈敏度越高,切削參數對切削溫度的影響主次順序為進給量>切削深度>切削速度。

3.3 切削力分析

在切削過程中,作用于工件和刀具且大小相等方向相反的力即為切削力,是重要的研究因素,可以將試驗過程中產生的切削力分為三個方向,分別為軸向力Fy、徑向力Fx和主切削力Fz,如圖4所示。

圖4 Si3N4陶瓷棒料受力分析

如圖5所示,根據測力系統可以得到9組試驗中三向切削力的折線圖?？梢钥闯鋈齻€力的峰值點一致,第2組、第5組和第7組三個力的變化趨勢幾乎一致,每組材料所受徑向力均最大,所受軸向力相對較小。

圖5 切削力折線圖

圖6a為切削參數對徑向力Fx的影響,從柱狀圖的高度差來看,進給量對徑向力的影響最大,當進給量較小時所受的徑向力也最小,徑向力隨著進給量的增大而增大;隨著切削深度的增加呈先增大后減小的趨勢,且在切削深度為0.15mm時所受的徑向力最小;徑向力隨著切削速度的增加先增大后減小,且柱狀圖高度相差不大,說明切削速度對徑向力的影響很小。

(a)各切削參數對應的徑向力

圖6b為切削參數對軸向力Fy的影響,可以看出,隨著進給量增大,軸向力先增大后減小,當進給量為0.1mm/r時,材料所受的徑向力最大,軸向力隨著切削深度的增加呈先增大后減小的趨勢,軸向力隨著切削速度先增大后減小,當切削速度為75m/min時,所受軸向力為最大。

圖6c為切削參數對主切削力的影響,可以看出,主切削力隨著進給量的增大而增大,隨著切削深度的增加呈先增大后減小的趨勢,隨著切削速度的增加而增加。當進給量為0.1mm/r時,材料所受主切削力最小,當切削深度為0.15mm時主切削力最小,當切削速度為50m/min時,主切削力最小。

由圖6d可以看出,切削參數對三向切削力的影響順序為進給量>切削深度>切削速度,對材料加工時影響較大的是徑向力和主切削力,所以在實際加工過程中為提高加工效率應該適當選取小進給量進行加工。

3.4 刀具磨損表面形態和切屑分析

如圖7a所示,車削刀具主要是由前刀面、后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖和副后刀面組成,圖7b是車削過程中刀具的受力圖,與作用在工件上的力大小相等、方向相反。

(a)刀具結構

由于陶瓷硬度大,在加工過程中會對刀具造成不小的傷害,圖8為車削加工后刀具的磨損形態?？梢钥闯?刀具的前刀面、副后刀面、刀尖和主副切削刃都存在嚴重損傷,在刀具與Si3N4陶瓷材料進行切削時,材料由于摩擦受力作用會殘留在刀具表面并形成凹坑造成嚴重磨損。由圖8b可以看出,刀具前刀面出現明顯裂紋,刀尖有崩刃跡象。不同于金屬材料的塑性去除,陶瓷材料的硬脆特性使其在去除時為粉末狀去除或者脆性去除,圖9為車削加工后的切屑形態。

(a)v=100m/min,ap=0.3mm,f=0.05mm/r

(a)粉末狀切屑

4 結語

本文對Si3N4陶瓷棒料進行了車削正交試驗,得到以下結論。

(1)車削Si3N4陶瓷材料時,由于其脆性去除的原理及材料自身性質的因素,會在加工后的材料表面形成互相交錯、長度不一的橫縱向裂紋,橫縱向裂紋的擴展會使材料成片狀切屑剝落,并在表面形成凹坑,影響加工后的表面質量。

(2)切削參數對切削溫度的敏感度由大到小的順序為進給量>切削深度>切削速度,所以在車削Si3N4陶瓷時,要避免切削溫度造成的不利影響可以優先選擇小進給量、小切削深度和大切削速度的加工參數組合進行加工。

(3)車削加工時,徑向力與主切削力對材料的影響較大,在切削參數中,進給量對切削過程中產生的力影響最大,在進行Si3N4加工時應該選取小進給量進行加工。

(4)使用CBN刀具進行車削加工時,刀具損傷較大,前刀面會出現凹坑和裂紋,副后刀面、主副切削刃均會出現較嚴重損傷,刀尖存在明顯崩刃跡象,且去除的切屑形態表示為粉末狀和片狀切屑。