炸藥模擬材料切削表面成型特征的實驗研究

謝鳳英，張 丘，劉 維，黃交虎

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900）

引 言

切削加工技術通常是炸藥部件成型工藝的最后一道工序，切削加工的尺寸精度與表面質量成為炸藥部件滿足武器部件結構要求的關鍵指標。近年來，切削表面質量對炸藥部件的外觀評價、裝配與粘接等性能的影響受到關注，關于炸藥切削表面的研究相繼出現［1－3］。這些研究大都以切削實驗為基礎，按照測試對象可以分為切削表面的表征研究［1－2］、切屑的表征研究［3］兩類，均是依靠切削產物反推切削過程。然而，炸藥材料高達85%以上的顆粒填充度［4］可導致增剛效應，同時使材料力學性能劣化［5］，這兩種因素的競爭作用使得炸藥部件在不同切削條件下的成型過程有所不同，不能簡單地依靠切削產物推測切削表面的成型過程。

本研究采用顯微攝像技術［6］直接觀察切屑的剝離過程，研究奧克托今（HMX）為基的某高聚物黏結炸藥（PBX）模擬材料切削表面的成型特征，并建立了其形成過程的唯象模型，為深入認識炸藥及其模擬材料的切削表面形成機理、優化炸藥部件的表面質量提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

低速正交切削實驗裝置主要由加工中心、顯微攝像觀察儀器組成，示意圖見圖1。實驗時，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記錄放大后的切削區域，實現切屑剝離瞬間的動態捕捉及表面成型過程的全程跟蹤，便于后期分析。

圖1 低速正交切削實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of low－speed orthogonal cutting experiment

1.2 實驗參數

材料為HMX為基的高聚物黏結炸藥模擬材料，選用60°三角形刀片，前角10°，后角11°，切削參數如表1所示。

表1 切削參數Table 1 Cutting parameters

2 結果與討論

2.1 切削表面成型的基本特征

切削深度對脆性材料的切削過程影響顯著。根據炸藥模擬材料成型特征的不同，可以分為小切深、中等切深和大切深3個特征切深，在特征切深范圍內表現出與石墨切削過程［7］相似的成型規律，但受組分材料、細觀結構以及制備工藝的綜合影響，特征切深范圍不同。

小切深：切削深度為0～0.10mm，首先形成粉末切屑，積聚成團后掉落，如圖2所示。

圖2 切削深度為0.10mm條件下切削表面成型的典型特征Fig.2 Typical formation characters with 0.10mm cutting depth

中等切深：切削深度為0.10～0.50mm，切削表面的成型過程是材料去除厚度不斷變化的過程，實際切深的波動幅值與名義切深大致相同。圖3為切削深度為0.30mm時典型成型過程，大致經歷3個階段：（1）與刀尖接觸的待加工表面先被壓碎產生擠壓顆粒與粉末切屑，并在前端形成斷裂裂紋，裂紋尖端產生于壓碎域前端而非刀尖處，見圖3（a），說明炸藥模擬材料的切削區域存在壓實的壓碎域代替刀尖擠壓待加工表面；（2）裂紋迅速擴展至工件表面（與X方向約成15°），壓碎域被擠碎并與前端裂紋貫通，形成楔形的斷裂塊屑，見圖3（b）；（3）材料的實際去除厚度小于名義切深，切削過程類似于小切深，開始產生粉末與擠壓顆粒切屑，見圖3（c）。

圖3 切削深度為0.30mm時切削表面成型的典型特征Fig.3 Typical formation characteristics with 0.30mm cutting depth

大切深：切削深度為0.50～1.50mm，切削表面的成型過程以材料的脆性去除為主，斷裂裂紋主要是先向工件內部（與X方向約成－30°）擴展再轉向自由表面。斷裂塊屑剝離前，實際切深隨斷裂裂紋的擴展沿X方向先增大至最大切深再減小，見圖4（a）；斷裂塊屑脫落后，切削表面極不規則、局部有過切現象，見圖4（b），這是由于材料自身在前期制備工藝過程中積累了大量的初始損傷［8］，在刀具擠壓下成為應力集中點，逐漸演變成局部微裂紋并擴展，與主斷裂紋融合形成極不規則的宏觀斷裂裂紋，主斷裂紋向工件內部擴展致使局部去除厚度超過名義切深，是產生局部過切的主要原因。在弧形塊屑剝離后的一個裂紋擴展長度范圍內，材料的實際去除厚度小于名義切深，由于過切現象的存在，切削刃與工件未完全接觸，可能出現局部空切現象。

圖4 切削深度為0.80mm時切削表面成型的典型特征Fig.4 Typical formation characteristics with 0.80mm cutting depth

該炸藥模擬材料的拉伸強度（幾兆帕）遠小于其壓縮強度（約40MPa），切削表面成型過程以材料的脆性去除為主，小切深時產生類似于金屬切削的帶狀切屑，可能存在塑性去除。實驗選取正前角刀具，切削合力隨著切削深度的增加從主運動方向以上變為主運動方向以下，裂紋擴展方向隨之從向工件表面擴展轉向工件內部擴展。根據炸藥模擬材料與石墨材料切削成型特征的相似性，可以認為斷裂裂紋的擴展主要是拉應力作用的結果［7］，但有待進一步研究驗證。

2.2 工件邊緣的切削表面成型特征

邊緣崩塊是炸藥及其模擬材料切削加工過程中典型的質量缺陷，研究工件邊緣的表面成型特征對于控制、優化邊緣表面質量具有積極意義。

圖5為切削深度為0.05mm、0.40mm條件下進刀和出刀位置的成型特征。由圖5（a）可以看出，小切深時邊緣成型特征與切削過程的基本成型特征較為吻合，主要產生粉末切屑，未見斷裂裂紋，也未發現邊緣崩塊現象。由圖5（b）可以看出，中等切深的進刀位置有向工件表面擴展的斷裂裂紋生成，未見邊緣崩塊；而在出刀位置，生成的斷裂裂紋向工件內部（與X方向約成－45°）擴展至工件邊緣，切屑剝離后在切削表面上留下較大凹坑，邊緣崩塊嚴重。同一切深下，進刀和出刀位置產生了不同擴展方向的斷裂裂紋，認為這與進刀和出刀位置工件的結構邊界條件不同有關。唐維［3］對炸藥切削試件亞表面的研究也表明裂紋擴展與車削處工件的結構邊界條件有關。

圖5 切削深度為0.05mm和0.40mm時工件邊緣的成型特征Fig.5 Edge formation characteristics with 0.05mm and 0.40mm cutting depth

圖6為3種大切深下進刀和出刀位置的成型特征。

圖6 大切深時工件邊緣的成型特征g.6 Edge formation characteristics with large cutting depth

由圖6（a）可見，在大切深下，進刀位置均呈現不同程度的邊緣崩塊，且隨著切深的增加崩塊愈發嚴重。炸藥模擬材料在大切深下以脆性去除為主，隨著切深的增加，刀具切入工件產生的瞬時沖擊作用增大，工件母體位于切削刃附近的損傷、缺陷容易演化成為局部裂紋并擴展，與主裂紋貫通后致使工件邊緣的材料崩落，切深越大、沖擊作用越大，崩塊也就越大。由圖6（b）可見，該切深范圍內，由于斷裂裂紋主要向工件內部擴展，出刀崩塊較為普遍，但隨著切深的增加，邊緣崩塊有減小趨勢。這主要是因為在大切深時，出刀位置產生大塊崩塊，導致該處在后續的切削過程中實際去除厚度小于名義值。

綜上所述，在炸藥模擬材料的切削過程中，在較大切深下容易產生邊緣崩塊的質量缺陷，主要是因為在中等及大切深下切削表面通過裂紋擴展產生斷裂塊屑而成型。為了改善或避免工件的邊緣崩塊，應減小切削深度，采用不大于0.10mm的切深去除；中等切深下可以通過改變進刀與出刀位置來控制邊緣崩塊，其原理是改變工件結構的邊界條件。在實際加工過程中，需綜合考慮去除量與走刀時間，一般采用中等切深去除，通過走刀路徑規劃改變進刀與出刀位置，控制出刀切深不大于0.10mm來獲得良好的邊緣質量，如圖7所示的雙邊進刀軌跡，通過控制兩次進刀深度的差值，實現出刀位置邊緣質量的優化。

圖7 邊緣崩塊的工藝控制方法Fig.7 Control method of edge drop piece

2.3 炸藥模擬材料切削表面成型及其唯象模型

根據以上分析，炸藥模擬材料的切削表面成型特征如表2所示，并依據該成型過程建立了唯象模型，以有助于理解其切削表面的成型過程，如圖8所示。

表2 炸藥模擬材料切削表面的成型特征Table 2 Formation characteristics of cutting explosive simulants

圖8 炸藥模擬材料切削表面成型過程的唯象模型Fig.8 Phenomenological model of formation process of cutting explosive simulants

3 結 論

（1）小切深（0～0.10mm）、中等切深（0.10～0.50mm）及大切深（0.50～1.50mm）3個特征切深的范圍內，炸藥模擬材料表現出與其他脆性材料相似的成型特征。

（2）在中等及大切深下，裂紋形成與擴展的成型特征決定了在較大切深下容易產生邊緣崩塊的質量缺陷。

（3）減小切深可以改善炸藥模擬材料切削過程的邊緣崩塊現象，中等切深下可以通過改變進刀與出刀位置來控制邊緣崩塊，其原理是改變工件結構的邊界條件。

（4）建立的唯象模型有助于理解炸藥模擬材料切削表面成型過程。

［1］ 張丘，黃交虎，尹銳，等.高聚物粘結炸藥切削表面的細觀形貌與形成機理［J］.兵工學報，2010，31（10）：1337－1340.ZHANG Qiu，HUANG Jiao－hu，YIN Rui，et al.M icro－appearance and formation mechanisms of PBX cutting surface［J］.Acta Armamentarii，2010，31（10）：1337－1340.

［2］ 唐維，李明，黃交虎，等.PBX車削表面的細觀形貌與粗糙度研究［J］.含能材料，2009，17（1）：60－63.TANG Wei，LI Ming，HUANG Jiao－hu，et al.Study on turning surface micro－morphology and roughness of PBX parts［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（1）：60－63.

［3］ 唐維，李明，閆斌，等.PBX切屑的細觀特征及形成機理研究［J］.含能材料，2009，17（3）：308－311.TANG Wei，LI Ming，YAN Bin，et al.Microstructure and formation mechanism of PBX chips［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（3）：308－311.

［4］ 郭虎，羅景潤，謝朝陽.PBX細觀損傷特征及表征方法研究綜述［J］.四川兵工學報，2012，33（1）：125－129.GUO Hu，LUO Jing－run，XIE Zhao－yang.Characters and characterization of PBX micromechanics damage：a review ［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2012，33（1）：125－129.

［5］ 彭威.復合固體推進劑粘彈損傷本構模型的細觀力學研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2001.PENG Wei.Study on micromechanics of viscoelasticity Constitutive law for composites soild propellant［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2001.

［6］ Wang Cheng－yong，Zhou Li，Fu Hao，Hu Zhou－ling.High speed milling of graphite electrode with endmill of small diameter［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，24（4）：27－31.

［7］ 周莉.高性能石墨銑削加工研究［D］.廣州：廣東工業大學，2007.Zhou Li.Research on high speed milling of high－performanced graphite［D］.Guangzhou：Guangdong University of Technology，2007.

［8］ 曹陽，聶福德，李越生.TATB基PBX復合材料的微觀結構分析［J］.火炸藥學報，2004，27（3）：58－61.CAO Yang，NIE Fu－de，LI Yue－sheng.Analysis of microstructure of TATB based PBX ［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2004，27（3）：58－61.