高聚物粘结炸药铣削时的边缘崩块形成机理分析

谢凤英，张丘，刘维，黄交虎，唐世龙

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900）

高聚物粘结炸药铣削时的边缘崩块形成机理分析

谢凤英，张丘，刘维，黄交虎，唐世龙

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900）

针对高聚物粘结炸药边缘质量的控制与优化问题，采用显微摄像和扫描电子显微镜，研究奥克托今基某高聚物粘结炸药件铣削时边缘崩块的宏观与细观特征及其形成机理。研究结果表明：大切深下铣削边缘产生向工件内部扩展的断裂裂纹而出现边缘崩块，控制切深不大于0.1 mm时可以获得较好的边缘完整性；崩块区域的损伤炸药颗粒以穿晶断裂和孪晶分裂方式破坏，因而完整的炸药颗粒较少；裂纹扩展至自由表面时拉应力与剪应力起主导作用，产生沿晶裂纹、粘接剂开裂以及坑窝等损伤。

兵器科学与技术；铣削；高聚物粘接炸药；细观破坏；裂纹

0 引言

高聚物粘结炸药（PBX）作为一种综合性能优良的含能材料，已在战略武器及高技术常规武器战斗部中得到广泛应用。为了满足武器部件的结构要求，以车削、铣削为主的切削加工技术成为PBX炸药部件的主要成型工艺之一，切削获得的表面质量将直接影响炸药部件的外观、装配精度，并与接触面摩擦、粘接/涂层强度等性能相关，进而影响武器部件在装配、运输过程中的安全性。因此，有必要开展炸药件切削表面质量的控制与优化研究。

近年来，围绕炸药部件切削表面质量开展研究主要有：1）传统加工方式的理论研究，炸药切削表面的二维粗糙度评定结果表明［1］车削表面的粗糙度随车削深度、进给量和主轴转数的增大而增大；PBX的细观破坏方式对切削表面细观形貌影响较大，进而影响表面粗糙度［1-2］。2）新型加工方式探索研究，吴松等［3］、唐维等［4-5］以炸药模拟材料为对象，开展了超声振动切削与传统切削的对比研究，获得前者切削力较小、表面质量更优的结论，有望成为提高炸药表面质量的有效手段。

上述研究对PBX切削表面质量的工艺优化具有重要指导意义，但较少涉及边缘质量的控制与优化问题。实践加工表明，边缘崩块是炸药及其模拟材料加工、尤其是铣削加工中典型的质量缺陷，本文针对该问题，采用显微摄像［6］和扫描电子显微镜（SFM）研究了奥克托今（HMX）基的某PBX炸药件铣削边缘崩块的宏观与细观特征及其形成机理，对于优化炸药部件边缘质量、提高表面质量完整性具有指导意义。

1 实验部分

1.1炸药模拟材料的正交切削实验

PBX的力学性能模拟材料在宏观上可以模拟PBX的基本力学性能和断裂性能［7-8］，在同样的切深下与PBX切削表面成型特征相似，由于其非爆炸性，在宏观研究时可以通过PBX力学性能模拟材料的切削过程来认识PBX切削表面形成过程。为了方便研究、保证炸药切削过程的安全性，切削实验以HMX基某PBX炸药的力学性能模拟材料为对象（以下简称炸药模拟材料），将铣削过程简化为正交切削模型。实验时，采用摄像装置透过体式显微镜记录放大后的切削区域，实现边缘崩块瞬间的动态捕捉及边缘成型过程的全程跟踪，实验系统如图1所示。已有研究表明［9］，脆性材料切削过程中的成型特征受切削深度的影响较大，因此本实验主要考虑切深对边缘成型特征的影响，实验参数如表1所示。

图1　炸药模拟材料的正交切削实验示意图Fig.1 Orthogona1 cutting experiment of exp1osive simu1ants

表1　正交切削实验参数Tab.1 Cutting parameters for orthogona1 cutting experiment

1.2HMX基某PBX炸药件边缘崩块的细观观察实验

首先对HMX基某PBX炸药件进行铣削加工，获得具有边缘崩块的实验件。铣削加工采用加工中心、φ20 mm立铣刀，铣削参数分别为：转速 n= 900 r/min，径向切深ae=8 mm，轴向切深hw分别为0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm，进给量 f= 40 mm/min.不同轴向切深下获得的出刀边缘如图2所示，可见hw为0.1 mm时获得的铣削边缘完整性较好，当hw≥0.3 mm时，炸药件出刀边缘出现崩块，且崩块主要集中在底平面的边缘。接着对实验件的铣削表面和崩块表面进行局部取样（约5 mm× 5 mm×5 mm），采用SFM进行取样样品细观形貌观察。

图2　HMX基某PBX炸药件的出刀边缘质量（放大约5倍）Fig.2 Fdge qua1ity of HMX-based PBX at too1-out position（5×）

2 PBX铣削边缘崩块的形成机理

2.1铣削边缘的宏观成型特征及崩块的成型分析

炸药模拟材料的拉伸强度仅为几个兆帕，约为其压缩强度的1/10，且出刀时边缘的结构强度较差，裂纹容易形成与扩展，材料以脆性去除为主，断裂裂纹的扩展方向是是否产生边缘崩块的直接原因。图3为正交切削实验过程中获得的显微摄像图片，从中可以看出炸药模拟材料的切削过程与石墨等［9］脆性材料相似，但受组分材料、成型工艺等的影响，产生边缘崩块的切削深度不同。如图3（b）～图3（f）所示，炸药模拟材料在切深为0.2 mm时，出刀边缘出现崩块。生成的断裂裂纹以与水平方向约成-45°方向扩展至工件边缘，材料的实际去除深度已经超过名义切深，边缘崩块严重，在裂纹扩展后期，切削刃与工件母体并非完全接触，存在局部空切现象。同样，在切深为0.4 mm、0.5 mm、0.8 mm时出刀位置均生成了向工件内部扩展的断裂裂纹，边缘存在不同程度的崩块，如图3（g）～图3（i）所示。而在图3（a）～图3（c）中，切深为0.1 mm时，工件边缘材料在刀具的碾压作用下主要产生切屑团，可见颗粒切屑，未发现边缘崩块现象。若颗粒切屑通过裂纹扩展成形，那么在0.1 mm切深下生成的裂纹主要向工件表面扩展至工件边缘，使得实际去除深度不超过名义切深而未能形成崩块。粉屑团可能是细颗粒切屑相互吸附形成；也可能是切削层变形滑移并沿前刀面卷曲形成，即对于炸药材料在足够小的切深下，可能存在延展性去除，但需进一步研究验证。

铣削表面实际上是材料受到断续挤压作用导致切屑剥离而成型，刀具与工件之间的摆线运动轨迹使其径向去除深度不断变化，图4所示出刀位置B′实际的径向去除深度［10］为

式中：fz为每齿进给量；D为立铣刀直径。

（1）式说明铣削出刀时的径向去除深度hw与铣刀、切削用量相关，以此计算图2所示PBX炸药件各出刀位置的h′w，均不大于0.011 mm，因而出刀边缘的侧壁上几乎看不到崩块。在切深hw≥0.3 mm时，底平面的边缘出现崩块，正是由于成型过程产生的断裂裂纹主要向工件内部扩展，导致材料实际以大于名义切深的轴向切深去除。在hw=0.1 mm时，材料径向去除的实际深度与名义值相当，形成的边缘完整性较好。

2.2铣削边缘崩块的细观形貌及形成分析

图5分别为上述HMX基某PBX炸药件铣削表面和崩块区域的SFM图。从图5中可以看出，炸药件铣削表面具有明显的进给波纹，颗粒界面模糊。PBX本质上是一种由硬脆性的炸药颗粒和少量粘弹性的粘结剂构成的非均质复合材料，在刀具挤压和前端材料支撑的共同作用下，断裂裂纹以向工件表面扩展为主，使得刀具前方材料的去除厚度减小，最终以不大于名义切深的方式去除材料，在铣削表面上留下进给波纹，材料的初始缺陷、切削刃轨迹相交处的脆性崩落、粘结剂变形等使得波纹结构在细观上不规则，炸药颗粒界面不清晰。

炸药件崩块表面的颗粒界面清晰，未见进给波纹。宏观上讲，铣削崩块是由于产生了向工件内部扩展的断裂裂纹，在裂纹扩展深度超过名义值后，刀具与工件存在局部空切现象，不会产生进给波纹一类的刀具切除要素，刀具与工件的非完全接触使得粘接剂变形减弱，也容易让冷却液进入产生一定的冷凝作用，削弱粘接剂的变形流动能力，PBX高达85%以上的颗粒填充度使得崩块区域的表面上存在大量裸露颗粒。这些炸药颗粒在前期制备工艺过程中积累大量的初始损伤［11-12］，尤其是在压制过程中颗粒晶体间的相互挤压使得炸药颗粒中存在大量微裂纹以及孪晶［13-14］，同时工件边缘材料的支撑强度不够，容易以孪晶分裂或穿晶断裂的方式破坏，使得崩块表面完整的炸药颗粒较少，可见河流花纹。当切削荷载不足以克服微裂纹扩展所需能量时，裂纹终止扩展而残留在颗粒内部，如图 6（a）所示。图6（b）所示可能为一条沿着颗粒边界扩展的微裂纹，图6（c）中可以看到裂纹路径上粘结剂被拉伸呈轻微拉丝状，图6（d）为破碎颗粒被拔出在表面形成坑窝，小颗粒来不及带走而粘附在表面上，可以认为崩块形成过程中切削层受到拉伸应力，石墨等脆性材料的切削机理也表明［7］，裂纹在扩展至自由表面形成切屑时主要受拉应力/剪应力，崩块区域存在沿晶裂纹、粘接剂开裂等损伤特征是合理的。

图3　炸药模拟材料出刀位置的成型特征Fig.3 Formation characters of exp1osive simu1ants at too1-out position

图4　边缘铣削示意图Fig.4 Schematic diagram of edge mi11ing

崩块表面上的微裂纹、坑窝等细观损伤会使炸药的力学性能劣化，导致结构的强度和刚度下降，在实际加工过程中应避免边缘崩块的形成，可以通过控制出刀切深不大于0.1 mm控制边缘崩块。

图5　HMX基某PBX炸药件的SFM图Fig.5 SFM photos of HMX-based PBX workpiece

图6　HMX基某PBX炸药件崩块表面的细观损伤Fig.6 Micro-damage on the edge spa11ing of HMX-based PBX workpiece

3 结论

1）切深小于0.1 mm时铣削边缘的完整性较好，随着切深的增加，铣削边缘产生向工件内部扩展的断裂裂纹而出现边缘崩块。

2）崩块表面的炸药颗粒界面清晰、颗粒完整性较差，是由损伤炸药颗粒通过孪晶分裂以及穿晶断裂的方式破坏形成。

3）裂纹在扩展至自由表面形成崩块时主要受拉应力/剪应力，使得崩块区域存在沿晶裂纹、粘接剂开裂、坑窝等细观损伤。

4）崩块表面的细观损伤将会使炸药件力学性能劣化，通过合理选择铣刀、切削用量，控制出刀的切深小于0.1 mm，可以获得良好的边缘质量。

（References）

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Preliminary Research on Formation Mechanisms of Edge Spalling in PBX Milling

XIF Feng-ying，ZHANG Qiu，LIU Wei，HUANG Jiao-hu，TANG Shi-1ong
（Institute of Chemica1 Materia1s，China Academy of Fngineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China）

In view of contro11ing and optimizing of edge qua1ity of po1ymer bounded exp1osive（PBX），the macroscopic and microscopic characteristics as we11 as the formation mechanisms of edge spa11ing formed by mi11ing a HMX-based PBX are studied using microscopic photography and scanning e1ectron microscope（SFM）.Research resu1ts show that the edge spa11ing is formed by crack expanding toward inside workpiece at a 1arge cutting depth，whi1e the edge integrity is better when the cutting depth is not 1arger than 0.1 mm.Intact partic1es are few in the region of edge spa11ing due to transcrysta11ine fracture and twin crysta1 separation of damaged exp1osive partic1es，and the micro-damages，such as crack a1ong crysta11ine boundary，po1ymer cracking and void，are main1y due to tensi1e stress and shear stress when a crack expands toward free-surface.

ordnance science and techno1ogy；mi11ing；PBX；microscopic fracture；crack

TQ564.2

A

1000-1093（2016）05-0823-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.008

2015-08-05

中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室重点基金项目（ZZ13004）

谢凤英（1986—），女，工程师。F-mai1：cquxiefengying@sina.com；黄交虎（1971—），男，副研究员。F-mai1：248893948@qq.com