陶瓷复合构件的钻削力试验研究*

郑 雷 王保卫 冯宝富 袁军堂 汪振华

(①鲁东大学先进制造与自动化技术重点实验室,山东烟台 264025;②南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

由工程陶瓷、轻质合金及纤维复合材料层叠构成的陶瓷复合构件能充分发挥材料结构的综合防护效应[1],在特种车辆的装甲防护领域具有广阔的应用前景。由于成型工艺的制约,复合构件成型过程中,无法准确预留用于装配的各种孔、槽和边等,因此复合成型后需要根据现场装配要求进行二次加工,如钻孔、切边和开槽等,尤其需要大量的孔加工。陶瓷复合构件的两种核心材料(工程陶瓷及纤维复合材料)均属于难加工材料,材料性能和加工机理相差迥异,复合成型后加工更加困难。目前,我国对于陶瓷复合构件的应用技术研究大多集中在材料制备及其防护性能优化等方面,后加工技术的研究相对滞后,尚处于起步阶段。文献[2,3]等试验研究了金刚石套料钻头加工陶瓷复合构件的制孔工艺、孔加工机理以及工具磨损特征等,但关于其钻削力的研究尚没有涉及。而钻孔过程中,钻削轴向力使得复合构件各层沿厚度方向依次受到一个拉力,从而在孔壁周围材料各层之间产生一定的层间应力,当这种层间应力超过复合构件的层间粘结强度时则导致层间分层现象。可见钻削轴向力是影响复合构件制孔质量的重要因素,也是层间分层缺陷的主要表征参量[2-5]。钻削轴向力越大,层间分层的可能性及破坏的范围也越大。因此试验探讨钻削轴向力的变化规律,对合理选择钻削参数,提高孔加工质量有着重要的意义。以典型的陶瓷复合构件(陶瓷/玻璃钢/铝合金)为例,采用烧结金刚石套料钻头,以定压力进给的加工方式试验研究了金刚石套料钻头加工轻质复合构件的钻削力变化特征,并建立了有意义的经验公式。

1 钻削力试验

1.1 陶瓷复合构件的结构

本试验所用的陶瓷复合构件由六角形的陶瓷块、玻璃钢及薄铝板粘结复合而成,如图1所示。高纯度的Al2O3陶瓷块厚度为8 mm,两侧分别为总厚度1.5 mm的玻璃钢和铝合金,复合板的总厚度为11 mm。其中,玻璃钢为玻璃纤维正交双向交织的复合材料单层板,高纯度陶瓷块中的Al2O3含量为99%(99瓷),层间采用热塑性树脂粘结复合。

1.2 测力装置

钻削力测定试验在ZXL-20立式钻铣床上进行,定压进给,采用预压应力工艺装置以保证加工质量[2-3],水冷却。采用大连理工大学研制的YDX-Ⅲ9702型压电式测力仪。该测力仪刚性好,灵敏度高,频率响应范围宽,线性好,一般情况下几乎没有滞后现象,稳定性好,向间干扰均在5%以下,可完成切削力的静、动态测试。精密测力仪将切削力转变为电信号,电信号经电荷放大器放大、A/D转换器转换为数字信号后,通过PCI-9118DG多功能数据采集卡,将波形显示在PC机上,最后通过专用切削力处理软件对信号进行时域和平滑处理,输出测量结果。钻削力测定系统如图2所示。

1.3 试验方案

关于烧结金刚石套料钻头钻削加工工程陶瓷的轴向切削力,到目前为止还没有形式完整、考虑多种因素的经验公式。本试验综合考虑切削用量和刀具参数等因素,建立高纯度氧化铝工程陶瓷的钻削力经验公式,以便预测切削力大小,寻求最佳的切削条件并控制加工质量。根据实践经验和理论分析,对工程陶瓷进行套孔加工时,影响钻削轴向力F的因素主要有四个:主轴转速n、进给量f、钻头壁厚B和钻头平均直径D0(即钻头内径与外径的平均值)。根据对轴向力信号的波形分析,可计算出钻削陶瓷层(陶瓷材料的厚度为L)时所需的加工时间t,进而由进给速度Vf=n·f=L/t可计算得到进给量f。

正交试验可以用较少次数的试验达到比较理想的试验效果,因此利用正交试验设计[6]的方法安排试验。试验结果采用多元线性回归法[6]处理,从而确定各个变量对钻削轴向力的影响关系以及程度,并建立烧结金刚石套料钻头钻削加工99氧化铝工程陶瓷的轴向力经验公式。采用L9(34)型正交表安排试验,试验因素水平如表1所示。引进参数k=B/D0,所用钻头的外径D(mm)/壁厚B(mm)之比分别为24/2、24/2.5、20/2.5,对应于表中k值的三个水平。烧结金刚石套料钻头的其他参数保持不变(粒度35/40目、浓度75%、水口3个)。根据对陶瓷复合构件的加工试验,确定加载砝码质量以及主轴转速的三个水平。

表1 试验因素水平表

2 钻削轴向力的变化特征

陶瓷复合构件的钻削过程中,由于组分材料的性能存在巨大差异,钻削力的变化非常明显。图3所示为定压进给试验中采集到的轴向切削力的典型信号变化趋势图,通过专用切削力分析软件可以直接得到轴向切削力的动态以及稳态值。根据陶瓷复合构件钻削加工过程的试验观察,并结合对图3所示的轴向力信号分析,可以得出以下几点结论。

在钻孔过程中,轴向力存在如下变化规律:钻头开始钻入铝合金层后,轴向力由零逐渐增大,当铝合金层完全被钻透时,轴向力突然减小,至钻头开始切削玻璃钢层时,轴向力又开始增大;当钻头开始磨削陶瓷材料时,轴向力达到一较为稳定的阶段,并在一稳态值附近波动,随着钻头开始钻出陶瓷,轴向力开始减小;当陶瓷层完全钻透时,轴向力又突然减小;而在底部的玻璃钢和铝合金层,轴向力在一个较高的水平维持一小段时间,这一点不同于入口阶段。观察发现,在各种轴向进给载荷和主轴转速下,轴向力都呈现基本相同的变化规律。

从图3中可观察到在轴向力曲线的两边都有明显的凸陷现象,这就是铝合金以及玻璃钢层与陶瓷层的过渡曲线部分。根据这一现象可以获得钻削工程陶瓷阶段所需的加工时间(即图中的T段)。

在工程陶瓷的磨削阶段,轴向切削力总在某一稳态值附近上下波动,但轴向力的上下波动幅度并不完全一致,这同陶瓷材料的组织均匀性以及测量随机误差等有关。在定压进给的加工条件下,测得的这一轴向切削力的稳态值与施加的轴向进给载荷和机床的主轴转速密切相关。

3 工程陶瓷的钻削轴向力经验公式

根据试验安排对陶瓷复合构件进行轴向力测试,试验方案以及试验结果如表2所示。

表2 试验方案和试验结果

表中平均切削速度v是指钻头平均直径处的线速度。v与n及D0存在如下关系:

根据金属磨削理论[7,8],磨削力通常都是以磨削用量的幂指数函数形式表示的。文献[9,10]对氧化铝工程陶瓷的平面磨削力经验公式进行了试验研究,也得到了同金属磨削相似的结论。因此,可设钻削轴向力的公式为四元非线性方程,其数学模型可表示为

式中:α0为与材料有关的常数,α1、α2、α3、α4为指数;F为轴向切削力;D0为钻头的平均直径;n为主轴转速;f为进给量;B为钻头壁厚。

将k=B/D0及式(1)代入式(2),则有

对式(3)两边取自然对数,则有

设 y=lnF,β0=lnE,x1=lnκ,x2=lnn,x3=lnf,x4=lnv,可得多元线性回归方程

为了方便求解,常将式(5)写成矩阵形式,则有

对式(6)采用最小二乘法寻求β的估计值^β,即回归方程中的系数应使全部实测值与回归值的偏差平方和为最小。多元线性回归的手工数据计算非常烦琐,采用Excel软件[11]求解得到回归系数

由方差分析可知,回归方程式(7)F检验的临界显著性水平为0.033,因而回归方程是显著的;再由x1、x2、x3、x4的 t检验结果,其临界显著性水平分别为0.0123、0.0255、0.0052、0.0191,可知四个解释变量的作用也都是显著的。对式(7)两边取反自然对数得

将k=B/D0及式(1)代入式(8),故可最终得到烧结金刚石钻头钻削加工99氧化铝工程陶瓷的轴向力经验公式

式(9)提供了不同切削用量条件下烧结金刚石钻头钻削加工高纯度氧化铝工程陶瓷的轴向力估算方法。对回归方程和回归系数的显著性检验表明,此公式可以用来预测不同加工条件下轴向切削力的大小及变化,具有较强的实用价值。从式(9)中各参数的指数可知:对钻削轴向力影响较大的两个因素是钻头的壁厚和平均直径,其中壁厚对钻削轴向力的影响程度大于平均直径的影响;进给量的影响次之;在试验所采用的转速范围内,主轴转速对钻削轴向力的影响不大。

4 结语

采用烧结金刚石套料钻头,以定压进给的加工方式对陶瓷复合构件(陶瓷/玻璃钢/铝合金)进行了套孔加工的钻削力试验研究,得到了复合构件加工过程中钻削轴向力的变化规律,并通过多元回归分析,获得了综合考虑钻头参数(钻头壁厚、钻头平均直径)和切削用量(主轴转速、进给量)的工程陶瓷钻削轴向力经验公式。公式表明,对钻削轴向力影响较大的两个因素是钻头壁厚和平均直径。因此,在孔的加工直径一定时,宜采用较小的钻头壁厚,以减小轴向切削力,提高加工质量。但钻头壁厚也不能过小,否则加工过程中钻头烧结体容易因强度和刚性较差而崩裂。这对工程陶瓷以及陶瓷复合构件套孔加工时钻头参数和切削用量的优化选择具有实际的参考价值,对专用加工机床的研制和开发也具有一定的指导意义。关于陶瓷复合构件孔加工过程中钻削轴向力的变化规律对其表面加工质量以及材料去除机理的影响等有待于深入研究,以进一步形成高质量、高效率和低成本的套孔加工工艺。

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