CN107139343B - 一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法 - Google Patents

Abstract

一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法，旨在于克服目前透波性陶瓷天线窗铣削加工效率低、废品率高、加工质量差的问题，其技术要点是：一、得到刀具切削刃与工件表面的接触关系；求解刀具切削刃尖端的应力场强度，并得出临界铣削深度，再根据临界铣削深度确定工件的加工工艺参数；二、刀具加工路径遵循针对同一平面的不同加工区域采用不同刀路规划的原则，实现加工边缘的切应力方向指向材料内部；三、通孔采用两端进刀工艺，即同一个通孔正反两面依次加工的方式，保持截刀位置处于通孔内部。本发明可实现透波性陶瓷天线窗加工表面无凹坑、微观裂纹、边缘破损、孔崩边等损伤，足以满足透波性陶瓷天线窗的工作要求。

Description

一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法

技术领域：

本发明涉及航空航天领域中特种陶瓷材料的加工方法，具体涉及一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法。

背景技术：

透波性陶瓷是一种广泛应用于航空航天领域的特种陶瓷材料，具有良好的综合力学性能和介电损耗，主要制造成天线窗，应用于导弹、高超声速飞行器等，是一种集防热、透波、承载、抗冲击等高性能要求为一体的多功能部件。相比于其它工程陶瓷材料，透波性陶瓷硬度低，其零件加工无需采用磨削或者超声磨削，普通铣削即可实现，且大大提高了加工效率。为保证透波性陶瓷零部件苛刻工作环境下使用寿命和可靠性，其铣削加工表面形貌和表面质量要求较高。但是脆性仍是透波性陶瓷的固有特征，因此天线窗铣削加工表面容易存在凹坑、微观裂纹等缺陷，同时还存在零件边缘破损、孔崩边等缺陷。对于这些加工表面的损伤，目前多是通过基于调整加工工艺参数来进行控制的，但此种方式并未有效解决加工表面的损伤问题，且大大降低了加工效率。

经过现有技术的文献检索发现，文献《陶瓷基复合材料零部件的复杂曲面加工技术研究》中提出采用超声磨削加工技术进行天线窗加工可获得良好的加工表面质量，但是天线窗材料去除体积大，采用超声磨削其加工效率很低，加工成本高，且需要设计专用装置进行切屑收集。文献《工程陶瓷加工技术的现状与发展》中提出对于脆性陶瓷机械加工，需要开展刀具、切削液的选择，刀具切削进给速度、进给量等工艺参数的优化来提高加工质量，但是仅依靠工艺参数优化还是远远不够的。

发明内容：

本发明的目的在于克服目前透波性陶瓷天线窗铣削加工效率低、废品率高、加工质量差的问题，提供一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法，可实现透波性陶瓷天线窗加工表面无凹坑、微观裂纹、边缘破损、孔崩边等损伤，足以满足透波性陶瓷天线窗的工作要求。

本发明的透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于由以下步骤构成：

步骤一、根据平面铣削中整体立铣刀与材料接触原理，沿竖直平面分割刀具与工件表面的接触区域，得到刀具切削刃与工件表面的接触关系；在切削力作用下，接触处工件内部为非均匀应力场，在非均匀应力作用下求解刀具切削刃尖端的应力场强度，并得出临界铣削深度，再根据临界铣削深度确定工件的加工工艺参数；

步骤二、刀具加工路径遵循针对同一平面的不同加工区域采用不同刀路规划的原则，保证刀具转动运动矢量与进给运动矢量方向成-90℃，实现加工边缘的切应力方向指向材料内部；

步骤三、通孔采用两端进刀工艺，即同一个通孔正反两面依次加工的方式，保持截刀位置处于通孔内部。

作为本发明的进一步改进，步骤一中是根据加工过程中刀具切削刃尖端的应力场强度来确定临界铣削深度的。

作为本发明的进一步改进，步骤一中所用刀具采用整体硬质合金平头刀具，且刀具圆角不小于0.3mm。

本发明的有益效果是：本发明针对透波性陶瓷天线窗铣削加工表面、表面边缘以及通孔，通过刀具切削刃与工件表面的接触关系来确定刀具切削刃尖端的应力场强度，根据加工过程中刀具切削刃尖端的应力场强度来确定临界铣削深度，根据临界铣削深度来确定工件的加工工艺参数，工件加工表面的刀路轨迹规划遵循“分类划片”原则，即针对同一平面不同加工区域采用不同刀路规划的方式对工件表面进行加工，通过此种加工方法对零件表面、端边以及通孔边的各类损伤形式进行了有效地控制，避免加工部位出现凹坑、微观裂纹、边缘破损、孔崩边等损伤现象，所加工出的工件足以满足透波性陶瓷天线窗的工作要求，提高了透波性陶瓷天线窗的加工表面质量。

附图说明：

图1是典型的透波性陶瓷天线窗的结构示意图；

图2是平面铣削加工和刀具切削刃与工件的接触关系的示意图，图中λ_o为刀具前角、β为刀具螺旋角、α₀为刀具侧刃后角、h为铣削深度；

图3是进行坐标变换后刀具切削刃与工件的接触关系的示意图，图中F_t为水平集中载荷力、F_n为垂直集中载荷力、F_x为X′方向的切削力、F_z为z′方向的切削力、c为切削刃压入深度、θ为刀具切削刃棱角、r为刀尖半径；

图4是下台阶面刀路轨迹规划的示意图。

具体实施方式：

由于透波性陶瓷天线窗常采用透波性Si3N4陶瓷材料制作，其典型的结构参数为：参照图1，外部为台阶结构，上台阶面尺寸为106mm×106mm，且表面为弧形；下台阶面尺寸为134mm×1334mm，内部为腔体，且下台阶面上开设有8个Φ6mm通孔，故下面以此结构参数和透波性Si3N4陶瓷材料为例对本发明的具体实施方式做详细说明。

一、计算临界铣削深度：透波性陶瓷天线窗的平面铣削加工示意图如图2中(a)所示，刀具切削刃与工件的接触关系如图2中(b)和(c)所示，通过坐标变换，将XOZ坐标转化为X′OZ′后，得到刀具切削刃与工件的接触关系如图3所示。

在水平集中载荷力和垂直集中载荷力综合作用下，材料内部所受的Z′方向应力可表示为：

其中F_t为水平集中载荷力；F_n为垂直集中载荷力；R为距离接触点半径；μ为工件材料泊松比；x′为X′方向坐标值、z′为Z′方向坐标值。

垂直载荷与材料表面压痕特征尺寸和材料硬度间关系可表示为：

F_n＝απ(c·tanθ)²H (2)

其中α为压头形状因子，一般取π/2；c为切削刃压入深度；θ为刀具切削刃棱角；H为材料硬度值。

水平集中载荷力F_t和垂直集中载荷力F_n之比存在一个摩擦系数η，水平集中载荷力可表示为：

F_t＝ηF_n (3)

根据坐标变换角度关系，摩擦系数η与切削力F_x和F_z间关系又可表示为下式，其中切削力F_x和F_z是可以测得的已知参数，

刀具切削刃简化为尖锐锥形压头，刀具切削刃棱角表示为：

θ＝0.5(π/2-β-λ_o) (5)

X′OZ′坐标系内，切削刃与材料接触界线处，x′与z′关系可表示为下式，其中c为切削刃压入深度，是可以测得的已知参数，

x'＝tanθ(c-z') (6)

刀具切削刃尖端的应力场强度可表示为：

其中m为修正因子，约为1.12，当K_I＝K_Ic时，其中K_I表示刀具切削刃尖端应力场强度，K_Ic为材料断裂韧性值，按式(7)求得此时的切削刃临界压入深度用c^*表示，此时临界切削深度可以表示为

陶瓷材料参数为：弹性模量为104GPa、断裂韧性K_Ic为2.6MPa·m^1/2、泊松比μ为0.23、硬度H为210MPa；

刀具参数为：刀具前角λ_o为8°、刀具侧刃后角α₀为10°、刀具螺旋角β为45°，

根据陶瓷材料参数和刀具参数，按以上各公式可求得透波性Si₃N₄陶瓷铣削临界切削深度为0.38mm。

(2)确定加工工艺参数：

根据临界切削深度值，选择不同转速和进给速度，采用正交实验进行加工工艺参数优化，得到透波性陶瓷天线窗的最优加工工艺参数为：转速4200r/min、进给速度400mm/min，铣削深度0.35mm；

刀具参数为：采用直径10mm、圆角半径0.3mm的整体硬质合金平头刀具，其切削刃数目为4、刀具前角λ_o为8°、刀具侧刃后角α₀为10°、刀具螺旋角β为45°。

按照上述加工工艺参数来加工上台阶面，参照图1，加工边1时，如果刀具进给方向如图1所示，则刀具转向选择为逆转，加工边2时刀具转向选择为正转；

按照上述加工工艺参数来加工下台阶面，参照图4，当刀具旋转方向为正转时，区域1进给方向应向右，而区域3进给方向应向左，区域2和区域4刀具进给方向如图所示，从而完成对下台阶面加工。

加工Φ6mm通孔：采用Φ6平头铣刀，刀具圆角为0.1mm，加工深度约为总厚度的2/3；然后将铣刀翻面装卡，继续对通孔进行加工，加工深度约为总厚度的1/2。

基于以上方法，可以避免透波性陶瓷天线窗在加工中出现凹坑、微裂纹、边缘破损、孔崩边等表面损伤现象，从而满足技术指标。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法，其特征在于由以下步骤构成：

步骤一、根据平面铣削中整体立铣刀与材料接触原理，沿竖直平面分割刀具与工件表面的接触区域，通过变换刀具切削刃与工件的接触关系的坐标，将XOZ坐标转化为X′OZ′后，得到刀具切削刃与工件表面的接触关系；在切削力作用下，接触处工件内部为非均匀应力场，在非均匀应力作用下求解刀具切削刃尖端的应力场强度，并得出临界铣削深度，再根据临界铣削深度确定工件的加工工艺参数，在水平集中载荷力和垂直集中载荷力综合作用下，材料内部所受的Z′方向应力可表示为：

其中F_t为水平集中载荷力；F_n为垂直集中载荷力；R为距离接触点半径；μ为工件材料泊松比；x′为X′方向坐标值、z′为Z′方向坐标值；垂直载荷与材料表面压痕特征尺寸和材料硬度间关系可表示为：

F_n＝απ(c×tanθ)²H (2)

其中α为压头形状因子，取值π/2；c为切削刃压入深度；θ为刀具切削刃棱角；H为材料硬度值；水平集中载荷力F_t和垂直集中载荷力F_n之比存在一个摩擦系数η，水平集中载荷力可表示为：

F_t＝ηF_n (3)

根据坐标变换角度关系，摩擦系数η与切削力F_x和F_z间关系表示为下式，

其中，F_x为X′方向的切削力；F_z为z′方向的切削力；

将刀具切削刃简化为尖锐锥形压头，刀具切削刃棱角表示为：

θ＝0.5(π/2-β-λ_o) (5)

在X′OZ′坐标系内，切削刃与材料接触界线处，x′与z′关系可表示为下式，其中c为切削刃压入深度：

x'＝tanθ(c-z') (6)

刀具切削刃尖端的应力场强度表示为：

其中m为修正因子，m的取值为1.12，当K_I＝K_Ic时，其中K_I表示刀具切削刃尖端应力场强度，K_Ic为材料断裂韧性值，切削刃临界压入深度用c^*表示，此时临界切削深度h^*表示为：

根据陶瓷材料参数和刀具参数，可求得透波性Si3N4陶瓷铣削临界切削深度h^*；

根据临界切削深度值，选择不同转速和进给速度，采用正交实验进行加工工艺参数优化，得到透波性陶瓷天线窗的最优加工工艺参数；

步骤二、刀具加工路径遵循针对同一平面的不同加工区域采用不同刀路规划的原则，保证刀具转动运动矢量与进给运动矢量方向成-90℃，实现加工边缘的切应力方向指向材料内部；

步骤三、通孔采用两端进刀工艺，保持截刀位置处于通孔内部。

2.根据权利要求1所述的一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法，其特征在于：步骤一中是根据加工过程中刀具切削刃尖端的应力场强度来确定临界铣削深度的。

3.根据权利要求2所述的一种透波性陶瓷天线窗的铣削加工方法，其特征在于：步骤一中所用刀具采用整体硬质合金平头刀具，且刀具圆角不小于0.3mm。