技術領域：

本發明涉及航空航天領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：
：

透波性陶瓷是一種廣泛應用于航空航天領域的特種陶瓷材料，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，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境下使用壽命和可靠性，其銑削加工表面形貌和表面質量要求較高。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整加工工藝參數來進行控制的，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。

經過現有技術的文獻檢索發現，文獻《陶瓷基復合材料零部件的復雜曲面加工技術研究》中提出采用超聲磨削加工技術進行天線窗加工可獲得良好的加工表面質量，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，且需要設計專用裝置進行切屑收集。文獻《工程陶瓷加工技術的現狀與發展》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、進給量等工藝參數的優化來提高加工質量，但是僅依靠工藝參數優化還是遠遠不夠的。

技術實現要素：
：

本發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。

本發明的透波性陶瓷天線窗的銑削加工方法，為實現上述目的所采用的技術方案在于由以下步驟構成：

步驟一、根據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域，得到刀具切削刃與工件表面的接觸關系；在切削力作用下，接觸處工件內部為非均勻應力場，在非均勻應力作用下求解刀具切削刃尖端的應力場強度，并得出臨界銑削深度，再根據臨界銑削深度確定工件的加工工藝參數；

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

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部。

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

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

本發明的有益效果是：本發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系來確定刀具切削刃尖端的應力場強度，根據加工過程中刀具切削刃尖端的應力場強度來確定臨界銑削深度，根據臨界銑削深度來確定工件的加工工藝參數，工件加工表面的刀路軌跡規劃遵循“分類劃片”原則，即針對同一平面不同加工區域采用不同刀路規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，避免加工部位出現凹坑、微觀裂紋、邊緣破損、孔崩邊等損傷現象，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量。

附圖說明：

圖1是典型的透波性陶瓷天線窗的結構示意圖；

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，其典型的結構參數為：參照圖1，外部為臺階結構，上臺階面尺寸為106mm×106mm，且表面為弧形；下臺階面尺寸為134mm×1334mm，內部為腔體，且下臺階面上開設有8個φ6mm通孔，故下面以此結構參數和透波性si3n4陶瓷材料為例對本發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系如圖2中(b)和(c)所示，通過坐標變換，將xoz坐標轉化為x′oz′后，得到刀具切削刃與工件的接觸關系如圖3所示。

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

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η，水平集中載荷力可表示為：

ft＝ηfn(3)

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

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，切削刃與材料接觸界線處，x′與z′關系可表示為下式，其中c為切削刃壓入深度，是可以測得的已知參數，

x'＝tanθ(c-z')(6)

刀具切削刃尖端的應力場強度可表示為：

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；

刀具參數為：刀具前角λo為8°、刀具側刃后角α0為10°、刀具螺旋角β為45°，

根據陶瓷材料參數和刀具參數，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：

根據臨界切削深度值，選擇不同轉速和進給速度，采用正交實驗進行加工工藝參數優化，得到透波性陶瓷天線窗的最優加工工藝參數為：轉速4200r/min、進給速度400mm/min，銑削深度0.35mm；

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

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

按照上述加工工藝參數來加工下臺階面，參照圖4，當刀具旋轉方向為正轉時，區域1進給方向應向右，而區域3進給方向應向左，區域2和區域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凹坑、微裂紋、邊緣破損、孔崩邊等表面損傷現象，從而滿足技術指標。

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，本領域技術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，都在本專利的保護范圍內。