車削Si3N4陶瓷的表面質(zhì)量形成機(jī)理研究

王明海,李雅楠,孔憲俊

1沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;2沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室

1 引言

難加工材料在航空航天、汽車、核能、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,同時(shí)對復(fù)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(shù)的發(fā)展,材料的種類仍在擴(kuò)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(fù)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(yù)測模型,與基于材料去除率的機(jī)床能耗預(yù)測模型相比,基于刀具磨損、主軸轉(zhuǎn)速和材料去除率的機(jī)床能耗預(yù)測模型具有更高的預(yù)測精度。Dehghan S.等[4]研究了難加工材料鉆孔時(shí)的微觀組織變化和刀具磨損情況,提供了一個增強(qiáng)的工件微觀結(jié)構(gòu)表征和工具條件。周知進(jìn)等[5]對難加工材料鈦合金的工藝參數(shù)優(yōu)化、加工表面完整性研究、超低溫切削技術(shù)和刀具冷卻等方面進(jìn)行了總結(jié)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(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

近幾年隨著工程陶瓷高速發(fā)展,其在航空航天、國防軍事、電子通信和新能源等領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景[7]。氮化硅陶瓷(Si3N4)是由N原子和Si原子組成的共價(jià)鍵化合物,其共價(jià)鍵程度達(dá)到70%,基本的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了高效深磨的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在加工陶瓷材料時(shí),除了受到加工條件的影響還會受材料本身的顯微結(jié)構(gòu)和相關(guān)力學(xué)條件的影響。硬脆性材料在進(jìn)行脆性去除和粉末性去除后,材料表面容易產(chǎn)生細(xì)小裂紋。Ou Z.C.等[12]建立了準(zhǔn)脆性材料的泛形裂紋的擴(kuò)展模型,利用ABAQUS軟件進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值分析。含有裂紋的脆性固體應(yīng)用在工程中被認(rèn)為極其危險(xiǎn),裂紋的擴(kuò)展加劇了脆性固體的破壞,增加了破壞預(yù)測的復(fù)雜性[13]。脆性材料中裂紋的擴(kuò)展方向均不同,一旦達(dá)到起裂的臨界條件,就會開始高速裂紋擴(kuò)展[14]。

本文采用正交試驗(yàn)的方法對航空材料硬脆特性的工程陶瓷Si3N4陶瓷進(jìn)行傳統(tǒng)車削加工,對加工后的材料表面形貌進(jìn)行觀測,觀察表面裂紋的分布情況,同時(shí)對切削溫度、切削力、刀具損傷情況及切屑狀態(tài)進(jìn)行觀察,得到參數(shù)的影響規(guī)律,為車削Si3N4陶瓷提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)條件和方案

試驗(yàn)材料選取硬脆工程陶瓷Si3N4,這是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)超硬材料,其發(fā)生相變的溫度點(diǎn)為1900℃,相關(guān)物理參數(shù)見表1。加工相關(guān)超硬材料需要使用超硬材料的刀具,本次試驗(yàn)選取CBN材料作為刀具材料,表2為CBN刀具的相關(guān)參數(shù)。

表1 Si3N4陶瓷的物理參數(shù)

表2 CBN刀具相關(guān)參數(shù)

采用直徑為30mm、長為150mm的Si3N4陶瓷棒進(jìn)行試驗(yàn)研究,選用CAK4085n數(shù)控機(jī)床進(jìn)行相關(guān)的車削加工,最高主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min,同時(shí)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(chǎn)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(yàn)原理。

圖1 車削原理

選取正交試驗(yàn)的方式,如表3所示,根據(jù)材料本身的特性和實(shí)際的工程應(yīng)用原則選擇三水平三因素的正交試驗(yàn),具體試驗(yàn)的切削參數(shù)如表4所示。

表3 正交因素水平

表4 車削正交試驗(yàn)切削用量

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面形貌及Si3N4表面裂紋擴(kuò)展機(jī)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(nèi)部擴(kuò)展情況,結(jié)果如圖2所示。從圖2a中可以看到,陶瓷材料表面布滿細(xì)小裂紋,由于陶瓷材料硬脆的特點(diǎn),在車削力的作用下陶瓷表面的裂紋會出現(xiàn)裂紋斷裂層,這會使材料本身表面的裂紋兩側(cè)產(chǎn)生高度不一致的情況。與此同時(shí),在進(jìn)行相關(guān)車削加工試驗(yàn)時(shí),由于材料本身硬度大,與刀具接觸時(shí)車床—陶瓷棒料—刀具系統(tǒng)容易發(fā)生顫振反應(yīng),導(dǎo)致加工過程中在材料表面產(chǎn)生振紋,從而影響加工后的表面質(zhì)量(見圖2b)。觀測發(fā)現(xiàn),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(nèi)部蔓延擴(kuò)展,產(chǎn)生表面損傷和亞表面損傷,這些細(xì)小裂紋的存在與擴(kuò)展嚴(yán)重影響了加工后的表面質(zhì)量,使材料存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。加工后的Si3N4陶瓷材料表面不僅有橫向裂紋,同時(shí)也有縱向裂紋,縱向裂紋在擴(kuò)展過程中通常會出現(xiàn)裂紋中斷的現(xiàn)象,在殘余熱應(yīng)力的作用下,中斷處產(chǎn)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(kuò)展過程中,由于力的作用會改變裂紋本身擴(kuò)展的方向,從而出現(xiàn)橫縱裂紋相交蔓延的現(xiàn)象(見圖2d)。如圖2e所示,無法預(yù)測裂紋運(yùn)動的方向,裂紋的擴(kuò)展是無方向性無規(guī)則性且非單一方向擴(kuò)展,在裂紋擴(kuò)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(kuò)展路徑上的某點(diǎn)生出沿著其他方向擴(kuò)展的裂紋,甚至?xí)淖冊瓉砹鸭y的擴(kuò)展方向,在車削過程中,由于對陶瓷材料進(jìn)行脆性去除,產(chǎn)生的橫縱向裂紋交互擴(kuò)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(shí)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(chǎn)生切削熱是重要的物理現(xiàn)象,對切削過程有多方面的影響,當(dāng)切削熱傳遞到工件表面上時(shí),可能會造成工件的熱變形,從而影響加工質(zhì)量,降低加工表面精度,進(jìn)而影響加工效率并增加生產(chǎn)成本,因此,有必要對加工過程中產(chǎn)生的切削熱進(jìn)行分析(見圖3)。

(a)各組試驗(yàn)溫度柱狀圖

試驗(yàn)時(shí),將紅外線測溫系統(tǒng)對準(zhǔn)切削區(qū)域,同時(shí)采集實(shí)時(shí)溫度為正交試驗(yàn)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(dá)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(yàn)可以看出,共同特點(diǎn)是進(jìn)給量均為0.3mm/r。圖3b為溫度對各個切削參數(shù)的影響柱狀圖,從柱狀圖的高度差可以看出,進(jìn)給量對切削溫度的影響最大,進(jìn)給量越大,切削溫度越高,當(dāng)切削深度為0.05mm時(shí),產(chǎn)生的切削熱最低;當(dāng)切削深度為0.1mm和0.15mm時(shí),柱狀圖的高度差相近,溫度在200℃左右。同樣,當(dāng)切削速度為100m/min時(shí),系統(tǒng)所產(chǎn)生的切削熱量相比于其他兩個數(shù)據(jù)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(shù)的關(guān)系也證明了這一點(diǎn),極值最高的是進(jìn)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(shù)對切削溫度的靈敏度越高,切削參數(shù)對切削溫度的影響主次順序?yàn)檫M(jìn)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(yàn)過程中產(chǎn)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(jù)測力系統(tǒng)可以得到9組試驗(yàn)中三向切削力的折線圖?？梢钥闯鋈齻€力的峰值點(diǎn)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(shù)對徑向力Fx的影響,從柱狀圖的高度差來看,進(jìn)給量對徑向力的影響最大,當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)所受的徑向力也最小,徑向力隨著進(jìn)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(shí)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(shù)對應(yīng)的徑向力

圖6b為切削參數(shù)對軸向力Fy的影響,可以看出,隨著進(jìn)給量增大,軸向力先增大后減小,當(dāng)進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí),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(dāng)切削速度為75m/min時(shí),所受軸向力為最大。

圖6c為切削參數(shù)對主切削力的影響,可以看出,主切削力隨著進(jìn)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(dāng)進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí),材料所受主切削力最小,當(dāng)切削深度為0.15mm時(shí)主切削力最小,當(dāng)切削速度為50m/min時(shí),主切削力最小。

由圖6d可以看出,切削參數(shù)對三向切削力的影響順序?yàn)檫M(jìn)給量>切削深度>切削速度,對材料加工時(shí)影響較大的是徑向力和主切削力,所以在實(shí)際加工過程中為提高加工效率應(yīng)該適當(dāng)選取小進(jìn)給量進(jìn)行加工。

3.4 刀具磨損表面形態(tài)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(jié)構(gòu)

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(tài)?？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(yán)重?fù)p傷,在刀具與Si3N4陶瓷材料進(jìn)行切削時(shí),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(yán)重磨損。由圖8b可以看出,刀具前刀面出現(xiàn)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(shí)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(tài)。

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

(a)粉末狀切屑

4 結(jié)語

本文對Si3N4陶瓷棒料進(jìn)行了車削正交試驗(yàn),得到以下結(jié)論。

(1)車削Si3N4陶瓷材料時(shí),由于其脆性去除的原理及材料自身性質(zhì)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(kuò)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(zhì)量。

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

(3)車削加工時(shí),徑向力與主切削力對材料的影響較大,在切削參數(shù)中,進(jìn)給量對切削過程中產(chǎn)生的力影響最大,在進(jìn)行Si3N4加工時(shí)應(yīng)該選取小進(jìn)給量進(jìn)行加工。

(4)使用CBN刀具進(jìn)行車削加工時(shí),刀具損傷較大,前刀面會出現(xiàn)凹坑和裂紋,副后刀面、主副切削刃均會出現(xiàn)較嚴(yán)重?fù)p傷,刀尖存在明顯崩刃跡象,且去除的切屑形態(tài)表示為粉末狀和片狀切屑。