技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域中特種陶瓷材料的加工方法，具體涉及一種透波性陶瓷天線窗的銑削加工方法。

背景技術(shù)：
：

透波性陶瓷是一種廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的特種陶瓷材料，具有良好的綜合力學性能和介電損耗，主要制造成天線窗，應(yīng)用于導彈、高超聲速飛行器等，是一種集防熱、透波、承載、抗沖擊等高性能要求為一體的多功能部件。相比于其它工程陶瓷材料，透波性陶瓷硬度低，其零件加工無需采用磨削或者超聲磨削，普通銑削即可實現(xiàn)，且大大提高了加工效率。為保證透波性陶瓷零部件苛刻工作環(huán)境下使用壽命和可靠性，其銑削加工表面形貌和表面質(zhì)量要求較高。但是脆性仍是透波性陶瓷的固有特征，因此天線窗銑削加工表面容易存在凹坑、微觀裂紋等缺陷，同時還存在零件邊緣破損、孔崩邊等缺陷。對于這些加工表面的損傷，目前多是通過基于調(diào)整加工工藝參數(shù)來進行控制的，但此種方式并未有效解決加工表面的損傷問題，且大大降低了加工效率。

經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，文獻《陶瓷基復合材料零部件的復雜曲面加工技術(shù)研究》中提出采用超聲磨削加工技術(shù)進行天線窗加工可獲得良好的加工表面質(zhì)量，但是天線窗材料去除體積大，采用超聲磨削其加工效率很低，加工成本高，且需要設(shè)計專用裝置進行切屑收集。文獻《工程陶瓷加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展》中提出對于脆性陶瓷機械加工，需要開展刀具、切削液的選擇，刀具切削進給速度、進給量等工藝參數(shù)的優(yōu)化來提高加工質(zhì)量，但是僅依靠工藝參數(shù)優(yōu)化還是遠遠不夠的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于克服目前透波性陶瓷天線窗銑削加工效率低、廢品率高、加工質(zhì)量差的問題，提供一種透波性陶瓷天線窗的銑削加工方法，可實現(xiàn)透波性陶瓷天線窗加工表面無凹坑、微觀裂紋、邊緣破損、孔崩邊等損傷，足以滿足透波性陶瓷天線窗的工作要求。

本發(fā)明的透波性陶瓷天線窗的銑削加工方法，為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案在于由以下步驟構(gòu)成：

步驟一、根據(jù)平面銑削中整體立銑刀與材料接觸原理，沿豎直平面分割刀具與工件表面的接觸區(qū)域，得到刀具切削刃與工件表面的接觸關(guān)系；在切削力作用下，接觸處工件內(nèi)部為非均勻應(yīng)力場，在非均勻應(yīng)力作用下求解刀具切削刃尖端的應(yīng)力場強度，并得出臨界銑削深度，再根據(jù)臨界銑削深度確定工件的加工工藝參數(shù)；

步驟二、刀具加工路徑遵循針對同一平面的不同加工區(qū)域采用不同刀路規(guī)劃的原則，保證刀具轉(zhuǎn)動運動矢量與進給運動矢量方向成-90℃，實現(xiàn)加工邊緣的切應(yīng)力方向指向材料內(nèi)部；

步驟三、通孔采用兩端進刀工藝，即同一個通孔正反兩面依次加工的方式，保持截刀位置處于通孔內(nèi)部。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟一中是根據(jù)加工過程中刀具切削刃尖端的應(yīng)力場強度來確定臨界銑削深度的。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟一中所用刀具采用整體硬質(zhì)合金平頭刀具，且刀具圓角不小于0.3mm。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明針對透波性陶瓷天線窗銑削加工表面、表面邊緣以及通孔，通過刀具切削刃與工件表面的接觸關(guān)系來確定刀具切削刃尖端的應(yīng)力場強度，根據(jù)加工過程中刀具切削刃尖端的應(yīng)力場強度來確定臨界銑削深度，根據(jù)臨界銑削深度來確定工件的加工工藝參數(shù)，工件加工表面的刀路軌跡規(guī)劃遵循“分類劃片”原則，即針對同一平面不同加工區(qū)域采用不同刀路規(guī)劃的方式對工件表面進行加工，通過此種加工方法對零件表面、端邊以及通孔邊的各類損傷形式進行了有效地控制，避免加工部位出現(xiàn)凹坑、微觀裂紋、邊緣破損、孔崩邊等損傷現(xiàn)象，所加工出的工件足以滿足透波性陶瓷天線窗的工作要求，提高了透波性陶瓷天線窗的加工表面質(zhì)量。

附圖說明：

圖1是典型的透波性陶瓷天線窗的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是平面銑削加工和刀具切削刃與工件的接觸關(guān)系的示意圖，圖中λo為刀具前角、β為刀具螺旋角、α0為刀具側(cè)刃后角、h為銑削深度；

圖3是進行坐標變換后刀具切削刃與工件的接觸關(guān)系的示意圖，圖中ft為水平集中載荷力、fn為垂直集中載荷力、fx為x′方向的切削力、fz為z′方向的切削力、c為切削刃壓入深度、θ為刀具切削刃棱角、r為刀尖半徑；

圖4是下臺階面刀路軌跡規(guī)劃的示意圖。

具體實施方式：

由于透波性陶瓷天線窗常采用透波性si3n4陶瓷材料制作，其典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：參照圖1，外部為臺階結(jié)構(gòu)，上臺階面尺寸為106mm×106mm，且表面為弧形；下臺階面尺寸為134mm×1334mm，內(nèi)部為腔體，且下臺階面上開設(shè)有8個φ6mm通孔，故下面以此結(jié)構(gòu)參數(shù)和透波性si3n4陶瓷材料為例對本發(fā)明的具體實施方式做詳細說明。

一、計算臨界銑削深度：透波性陶瓷天線窗的平面銑削加工示意圖如圖2中(a)所示，刀具切削刃與工件的接觸關(guān)系如圖2中(b)和(c)所示，通過坐標變換，將xoz坐標轉(zhuǎn)化為x′oz′后，得到刀具切削刃與工件的接觸關(guān)系如圖3所示。

在水平集中載荷力和垂直集中載荷力綜合作用下，材料內(nèi)部所受的z′方向應(yīng)力可表示為：

其中ft為水平集中載荷力；fn為垂直集中載荷力；r為距離接觸點半徑；μ為工件材料泊松比；x′為x′方向坐標值、z′為z′方向坐標值。

垂直載荷與材料表面壓痕特征尺寸和材料硬度間關(guān)系可表示為：

fn＝απ(c·tanθ)²h(2)

其中α為壓頭形狀因子，一般取π/2；c為切削刃壓入深度；θ為刀具切削刃棱角；h為材料硬度值。

水平集中載荷力ft和垂直集中載荷力fn之比存在一個摩擦系數(shù)η，水平集中載荷力可表示為：

ft＝ηfn(3)

根據(jù)坐標變換角度關(guān)系，摩擦系數(shù)η與切削力fx和fz間關(guān)系又可表示為下式，其中切削力fx和fz是可以測得的已知參數(shù)，

刀具切削刃簡化為尖銳錐形壓頭，刀具切削刃棱角表示為：

θ＝0.5(π/2-β-λo)(5)

x′oz′坐標系內(nèi)，切削刃與材料接觸界線處，x′與z′關(guān)系可表示為下式，其中c為切削刃壓入深度，是可以測得的已知參數(shù)，

x'＝tanθ(c-z')(6)

刀具切削刃尖端的應(yīng)力場強度可表示為：

其中m為修正因子，約為1.12，當ki＝kic時，其中ki表示刀具切削刃尖端應(yīng)力場強度，kic為材料斷裂韌性值，按式(7)求得此時的切削刃臨界壓入深度用c^*表示，此時臨界切削深度可以表示為

陶瓷材料參數(shù)為：彈性模量為104gpa、斷裂韌性kic為2.6mpa·m^1/2、泊松比μ為0.23、硬度h為210mpa；

刀具參數(shù)為：刀具前角λo為8°、刀具側(cè)刃后角α0為10°、刀具螺旋角β為45°，

根據(jù)陶瓷材料參數(shù)和刀具參數(shù)，按以上各公式可求得透波性si3n4陶瓷銑削臨界切削深度為0.38mm。

(2)確定加工工藝參數(shù)：

根據(jù)臨界切削深度值，選擇不同轉(zhuǎn)速和進給速度，采用正交實驗進行加工工藝參數(shù)優(yōu)化，得到透波性陶瓷天線窗的最優(yōu)加工工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4200r/min、進給速度400mm/min，銑削深度0.35mm；

刀具參數(shù)為：采用直徑10mm、圓角半徑0.3mm的整體硬質(zhì)合金平頭刀具，其切削刃數(shù)目為4、刀具前角λo為8°、刀具側(cè)刃后角α0為10°、刀具螺旋角β為45°。

按照上述加工工藝參數(shù)來加工上臺階面，參照圖1，加工邊1時，如果刀具進給方向如圖1所示，則刀具轉(zhuǎn)向選擇為逆轉(zhuǎn)，加工邊2時刀具轉(zhuǎn)向選擇為正轉(zhuǎn)；

按照上述加工工藝參數(shù)來加工下臺階面，參照圖4，當?shù)毒咝D(zhuǎn)方向為正轉(zhuǎn)時，區(qū)域1進給方向應(yīng)向右，而區(qū)域3進給方向應(yīng)向左，區(qū)域2和區(qū)域4刀具進給方向如圖所示，從而完成對下臺階面加工。

加工φ6mm通孔：采用φ6平頭銑刀，刀具圓角為0.1mm，加工深度約為總厚度的2/3；然后將銑刀翻面裝卡，繼續(xù)對通孔進行加工，加工深度約為總厚度的1/2。

基于以上方法，可以避免透波性陶瓷天線窗在加工中出現(xiàn)凹坑、微裂紋、邊緣破損、孔崩邊等表面損傷現(xiàn)象，從而滿足技術(shù)指標。

本實施方式只是對本專利的示例性說明，并不限定它的保護范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以對其局部進行改變，只要沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都在本專利的保護范圍內(nèi)。