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刀具破损机理国内外研究概况及发展趋势


第 24 卷第 1 期









2007 年 3 月 Mar. 2007

Vol.24 No.1

CEMENTED CARBIDE

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/>综合评述

刀具破损机理国内外研究概况及发展趋势
冯 鸣 陈永洁 倪 武汉 兰 ( 华中科技大学, 湖北


随着科学技术的飞速发展, 大量的脆性刀具材 料涌入工具市场, 如硬质合金、 陶瓷、 人造金刚石、 立 方氮化硼等, 由这些材料制成的刀具, 生产效率高, 加工范围广。但是, 由于材料本身的特性, 在断续切 削加工中, 破损几乎成为刀具失效的主要原因, 因而 成为生产中迫切需要解决的重大的课题。特别是在 自动化生产中, 如果人们没有掌握刀具破损的规律, 根本无法确定换刀时间, 也难以保证加工质量, 更无 法做到优选切削条件, 使切削加工达到最优化。因 此, 人们一直致力于刀具破损机理以及破损预测监 控的研究。

1 刀具破损机理研究的主要领域
目前, 国内外专家在刀具破损机理的研究主要 集中在以下几个方面:

1) 断续切削过程中切入切出破损的研究, 包括
各种切入切出类型对刀具破损的影响, 切出过程的 负剪切现象, 动态切削力的研究, 切削参数( 如切出 角、 切削速度、 进给量等) 与刀具破损之间的关系等。 热裂纹与刀具破损之间的关系研究, 2) 热应力、 包括温度场和热应力的研究、热裂纹的产生及其对 刀具破损的影响、 粘结破损现象等。 后角、 刀尖圆弧 3) 刀具几何参数( 如刀具前角、 半径、 负倒棱等) 及槽型结构对提高刀具寿命, 降低

作者简介: 冯鸣, 男, 25 岁, 华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生, 主要从事切削理论与刀具技术研究。

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要 介绍了刀具破损机理研究的主要领域, 包括断续切削过程中的切入切出破损研究、

热应力和热裂纹与破损之间关系、 刀具几何参数影响以及破损监控预报研究等, 回顾了刀 具破损机理研究的历史和现状, 对切入切出破损、 动态切削力及热应力和热裂纹与破损之 间关系的研究概况进行了详细论述, 最后论述了刀具破损研究的发展趋势。 关键词 破损 断续切削 动态切削力 热裂纹

刀具发生破损几率的研究。 预报研究, 包括对切削过程 4) 刀具破损的监控、 的切削力、 振动信号、 切削功率、 电机电流、 声发射信 人工神经网络等 号等信号的测量, 并采用小波分析、 方法对测量信号进行分析, 从中提取出破损特征量, 实现对刀具状态的监测和破损预报。

2 断续切削过程中切入切出破损 的研究
2.1 断续切削过程的切入破损研究
自断续切削加工出现以后, 人们惊奇地发现, 虽 然断续切削加工使生产率提高了, 但在同样的切削 条件下, 进行断续切削的刀具寿命明显低于连续切 削加工时的刀具寿命。以 M.Kronenberg 为代表的许 多专家学者研究了这一在当时认为是反常现象的问 题, 提出刀具切入时的破损是导致断续切削加工刀 具失效的重要原因。

1946 年, 德国学者 M.Kronenberg 首先针对端铣
加工, 研究了切入类型与刀具破损之间的关系, 并经 过大量的切削试验和切入过程模拟研究, 创造性地 解决了切入类型的计算问题, 推导出九种切入类型 的判别公式, 同时首次使用并定义了切入角[1]。 之后, 苏联学者 З opeB 根据对奥氏体钢进行的端铣切削试 验, 指出端铣高强度材料时, 即使使用高速钢刀具,

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第 24 卷

切入类型对刀具寿命的影响也极为显著。但是

时, F 型切屑就不会产生。 1979 年, M.C.Shaw 指出, 在 刀具切出的时候, 系统中储存的弹性能迅速地释放 出来, 导致应力场方向发生反转, 使切削刃附近的刀 具表面应力场恶化, 拉应力变大, 从而使刀具发生破 损[10]。1984 年, Kamaruddin 证实了 Pekelharing 关于

З opeB 的 试 验 曲 线 与 M.Kronenberg 的 试 验 曲 线 相
比, 不同的切入类型下刀具寿命很不稳定, 相差极 大。 为此, H.Optiz 进行了大量的分析研究工作, 深化 了冲击系数 ( 冲击系数 =切削面积 /切入时间) 的概 念, 解释了这一问题的原因[2]。 近几年来, 我国学者对刀具的切入破损进行了 研究。 李振加等通过对不同几何角 1999 年, 董丽华、 度的铣刀片进行有限元应力场分析 , 证明合理的刀 具几何角度可以改变切入冲击力的方向, 减少刀片 内部应力, 改善铣削状况 。他们对波形刃铣刀片进 行了切入切出过程分析, 并通过铣削过程的振动实 验, 证明了波形刃可有效地减少切入切出引起的冲 击和振动, 减轻铣削过程中铣刀的切入、 出破损 切
[4] [3]

F 型切屑的发现, 并提出包含有应力的反转以及 F
型切屑形成的切削是发生刀尖破损的最危险的情况
[11]

。同年, Y.M.Lee 、 W.S.Sampath 等人对不同切出条

件下刀具破损的可能性进行了分析, 指出与切入角 相比, 切出角对于刀具破损更加重要, 当切出角大于 时, 75° 就可以避免刀具破损 [12]。此外, Tsuyoshi Asai 和 Seiji Nakatani 对 硬 质 合 金 刀 具 在 四 种 切 入 切 出 类型下出现的早期破损进行了研究, 绘制了表示早 期破 损 安 全 区 和 危 险 区 的 切 削 速 度 - 进 给 量 图 , 提 出了产生早期破损的四种机理
[13]

。 2005 年, 李振加等人依据金属切削加工理论, 在

。 Nakamura 和

M.Kronenberg 接 触 法 和 林 树 兴 几 何 解 析 法 的 基 础
上, 研究了端面铣削过程中刀齿的接触状态, 推导 了九种判别式, 用于计算铣刀的切入类型 。同年, 胡映宁、 王成勇等人采用动力学仿真软件对小直径 铣刀在不同切削参数条件下的切入过程进行了仿 运 真分析, 确定了小直径铣刀切入过程的载荷、 动 形式, 然后根据仿真分析的载荷结果, 用有限元分 析确定不同切削参数下, 铣刀切入过程对刀刃的应 力、 变形的影响, 为寻求合理的切入条件、 减少刀具 破损提供了参考 。
[6] [5]

Shimesu 研究了断续切削时切出角对切削刃破损的
影响, 建立了早期破损与各种切削条件的关系[14]。 顾祖 慰 等 人 对 铣 削 切 出 过 程 1993 年, 李振加、 中的负剪切现象及其对刀具破损的影响作了探讨。 他们提出: 切出时的负剪切现象使卷曲的切屑以刀 刃为轴线旋转, 导致刀尖处的应力严重恶化是刀具 破损的主要原因[15]。 文献[ 16] 、17] 分析了负剪切现 [ 象产生的机理, 并给出了负剪切长度的计算公式以 及产生负剪切时切削力的表达式。陶福春还用弹塑 性力学分析了热裂纹的发生及裂纹扩展机制, 并提 出了防止刀具切出破损的措施[17]。2001 年, 李淑娟、 阴敬盛从理论方面对端铣削时刀齿切出的点及线进 行了研究, 建立了端铣削切出时的模型, 推导出了特 征线斜角公式和切离点脱离顺序的计算公式 破损区提供了理论依据。
[18]

2.2 断续切削过程的切出破损研究
一些学者在研究中发现, 刀具的断裂主要发生 在刀具切出时而不是在切入时, 因此人们开始对刀 具切出工件时发生破损的现象进行了深入研究, 并 取得了重大的成果。

,为

确定端铣刀合理的几何参数、铣削方式及避开刀齿

1965 年 , Hoshi 和 Okushima 通 过 试 验 数 据 , 证
明在间断切削时刀具切出时要比切入时更容易发 生断裂[7]。1975 年, Loladze 使用光弹刀具切削铅件, 发现在切出时比切入有更大的拉伸应力 。 1978 年,
[8]

2.3 动态切削力的研究
为了准确预测刀具破损寿命, 人们对切削力的 动态变化规律进行了研究。 1967 年, Das 和 Tobias 建立了一个模型, 他们假设切削力与剪切面积的线 性函数及出现迅速振动时, 剪切面不随工件的移动 而变化 [19]。 1977 年, Nigm 和 Sadek 通过高速摄影证 实了在动态切削中剪切面也在不断变化 [20]。随后他 们建立模型考察了切削参数的动态变化对剪切面振 动的影响。1985 年, D.W.Wu 和 C.R.Liu 进一步基于 加工硬化和滑移线场理论并考虑剪切面和刀屑接触 面的应力状况推导出一系列公式[21]。1998 年, 黄斌、 李兆前等人建立了一种动态切削力的数学模型, 把

Pekelharing 通过车床模拟断续切削, 提供了令人信
服的证据, 证明硬质合金刀具离开切削区比进入切 削区时更容易碎裂, 并且在伴随有 F 型切屑的切削 过程中, 刀具往往更容易发生破损失效。同时他亦 首次发现了断续切削切出过程中所特有的现 —负剪切现象, 并对其形成原因及对刀具破损 象—— 的影响作了深入研究 。Pekelharing 在研究中发现,
[9]

在切出过程中, 只要有 F 型切屑形成, 刀具发生破损 的概率会异常的高, 而当切出角小于 30° 或大于 120°

第1期





陈永洁



兰 : 刀具破损机理国内外研究概况及发展趋势

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切削振动和动态切削力联系起来, 首次提出了动态 切削中动态偏角的概念[22]。

观机制[34, 35]。 2003 年, 斯廷智等人对氧化铝基复合陶 瓷的抗热震性进行了研究, 指出了陶瓷抗热震研究 存在的问题[36]。2004 年, 谭光宇、 李振加等人提出并 建立了刀具表面受热密度函数 , 根据受热密度函数 确定了边界条件 , 并运用模糊数学理论对铣刀片温 度场进行了模糊综合评判[37]。

3 热应力、 热裂纹与刀具破损关系 研究
1947 年, Boston 和 Gillbert 最先报告了在铣削过
程中硬质合金刀具前刀面上出 现 热 裂 纹 的 发 现 [23]。

4 研究发展趋势
4.1 破损机理仍是研究的热点
随着加工技术的发展, 干切削技术、 超高速加工 技术、 超精密加工技术等加工方式的应用, 传统的刀 具破损理论已经显得有些不足, 需要对其进行完善 和发展。 此外, 新刀具材料, 如陶瓷材料、 立方氮化硼 等的运用, 涂层技术的发展, 都将对刀具破损的机理 产生重要的影响, 已经逐渐引起国内外专家的注意, 并开始对其展开研究。

1963 年 , Zorev 提 出 了 拉 应 力 理 论 用 来 解 释 热 裂 纹
该理论指出在加工空行程时, 刀具表面以 的扩展[24]。 高于刀体的冷却速度冷却, 此时刀具内就产生拉应力 导致裂纹的形成。基于 Zorev 的拉应力理论, 1967 年

Okushima 和 Hoshi 利用一维热流模型, 分析了空行
程阶段刀具表面温度迅速降到低于刀体内部温度的 现象 。然而, 在 1970 年, Braden 和 Dugdale 提出 ,
[25] [26]

不论是在切削行程还是在非切削( 冷却) 行程, 都不 会产生拉应力, 刀具内部危险地区的塑性变形才是 导致裂纹产生的真正原因。 1978 年, Bhatia 和 Pandey 对断续切削中硬质合金刀具的热裂纹产生特性进行 了研究 , 指出空行程中硬质合金刀具热裂纹的产生 与刀具表面的温度分布和伴生热应力有着必然联 系。1979 年, Wu 和 Mayer 指出 在不同切削循环时
[28] [27]

4.2 刀具破损监控预报技术逐渐受到重视
刀具破损理论研究的不断发展, 传感器技术的 不断进步, 以及计算机技术的运用, 使得人们在监控 和预测刀具破损方面作出卓越的成效。随着自动化 加工水平的不断发展, 为了提高加工效率及产品质 量, 减少刀具破损带来的损失, 现代企业对刀具状态 的实时监控以及刀具破损的预报技术的要求越来越 高, 因此刀具的破损监控和预报技术将是今后研究 的一个重点。

切削刃附近都存在着拉应力和压应力, 两者都能导 致热裂纹的产生, 而且温度和应力的剧烈循环变化 必然加剧裂纹的扩展, 最终导致刀具的完全破损。

1981 年, Kunio 研究了切削刀具的温度梯度和相 应
的应力场, 认为硬质合金端铣刀在加工过程中产生 的梳状裂纹是由于热冲击产生的
[29]

4.3 刀具几何尺寸以及槽型设计依然是研究重点
选择合适的刀具几何尺寸可以有效地减小切削 过程的切削力以及冲击对刀具的影响, 而合适的断 屑槽型能够使切屑顺利的排出, 改善刀具的加工环 境。 在现有刀具材料的条件下, 几何尺寸的选择和槽 型的优化设计, 可以有效的提高刀具抗破损能力, 延 长刀具使用寿命。而刀具槽型的设计也从相对简单 的一维断屑槽型向复杂的三维断屑槽过渡。 参考文献
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。 1984 年 ,

Chakraverti 和 Pandey 建立了一个断续切削中温度分 布模型[30]。同年, Kaknio 和 Shoda 对热裂纹的产生机
理进行了研究 , 指出可溶性切削液的使用导致刀具 在切出工件时前刀面产生拉应力, 从而加速了热裂纹 的扩展。1996 年, Wang 和 Sahay 对铣刀刀齿的动态 温度场进行了理论和试验研究[32], 提出每次刀具切入 工件, 热裂纹就会沿着温度场的梯度方向进行扩展。 我国的专家学者在刀具温度场和热裂纹的研究 方面也做了大量的工作。 刘国新等 1992 年, 李澎东、 通过对断续切削过程中的非稳态温度场和应力场的 计算及模拟断续切削热过程的激光冲击试验, 得到 断续切削的动态温度场和应力曲线 [33]。 1999 年, 尤 显卿对钢结硬质合金热疲劳裂纹的产生进行了探 讨, 对热疲劳过程中裂纹的萌生过程进行了细致观 察, 并提出了钢结硬质合金的热疲劳裂纹扩展的微
[31]

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学学报, Vol4 , No.2 , 1999 : 13~ 15.









第 24 卷

of Nose Radius,Charmfer,and 117 ̄124.

Peripheral  ̄Cutting Edge Angle

[5] 孙伟军, 李振加等 . 面铣刀切入方式的判 别 式 推 导 . 哈 尔 滨 理 工
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[23] Boston,O.W.,and Gillbert,W.W.. Influence on Tool Life and Power

(2006- 09- 05 收稿; 2007- 01- 22 修回 )

Resear ch Status and Development Tendency of the Mechanism of Tool Fr actur e Feng Ming Chen Yongjie Ni Lan

(Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430074 ) ABSTRACT An introduction is given to the main areas of the mechanism of cutting tool fracture, including the research of enter and exit failure in intermittent cutting, the relation of thermal stress, thermal crack and fracture, the influence of geometry parameters of cutting tool, and the study of monitoring and predicting the fracture. The history and the present situation are reviewed of research on the mechanism of tool fracture, and the general situation of research on enter and exit failure, dynamic cutting force and the relation of thermal stress, thermal crack and fracture is discussed detailed. Finally, the developmental trend of related research is discussed. KEY WORDS fracture, intermittent cutting, dynamic cutting force , thermal cracking


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