程耀楠 聶婉瑩 賈煒坤 王 超 吳明陽

(哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，采用設(shè)備的技術(shù)要求逐漸趨于極端化，其中重型切削是極端制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，而切削過程具有切削參數(shù)大與加工余量不均等特點，刀具在加工過程中會承受較大循環(huán)沖擊載荷作用，使刀具失效問題突出，導(dǎo)致刀具失效成為制約重型切削發(fā)展的一個主要因素。針對刀具失效問題，很多學(xué)者已經(jīng)進行了相關(guān)研究。劉戰(zhàn)強等[1]研究刀-屑接觸區(qū)應(yīng)力與刀具磨損的相關(guān)性，討論刀具幾何角度對接觸區(qū)應(yīng)力分布的影響。李振加等[2]分析銑削過程中刀具破損的主要原因；趙云振等[3]對斷續(xù)切削過程中硬質(zhì)合金刀具破損問題進行了探討；Ezugwu等[4]研究了斷續(xù)切削條件下，TiN涂層硬質(zhì)合金刀具切削淬硬鋼的刀具壽命及失效機理；Urbanski等[5]研究了球頭刀銑削H13淬硬模具鋼時的刀具的失效機理；Jawaidy和Melo等[6-7]對涂層硬質(zhì)合金刀具的性能和磨損機理進行研究，分析了涂層刀具磨損的主要原因；Kapoor等[8]通過微觀尺度切削加工有限元仿真，預(yù)測了WC-Co涂層刀具斷續(xù)切削條件下的崩刃失效。上述刀具失效方面的研究對于刀具應(yīng)用與刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較重要意義，但在分析刀具失效機理時，研究方法多采用斷裂力學(xué)理論，并從宏觀角度研究刀具失效表象問題，在一定程度上缺乏對微細觀失效過程的定性以及定量研究，且很少涉及刀具材料失效演變的細微觀問題，因此刀具在失效問題方面的研究還有待于進一步深入探討。

隨著科學(xué)不斷進步，損傷理論發(fā)展更加完善，主要是考察材料損傷對宏觀性能的影響，這將與傳統(tǒng)力學(xué)只注重材料由變形到破壞的起點-終點式研究有所不同，讓人們對材料力學(xué)性質(zhì)的認識更加深刻，并趨于合理性。近幾年，損傷力學(xué)的應(yīng)用主要在材料或機構(gòu)宏、細、微觀結(jié)構(gòu)破壞過程中，其中在破壞分析、壽命估計、材料韌化、力學(xué)性能預(yù)測等方面的應(yīng)用則較廣泛。崔曉斌[9]采用損傷力學(xué)作為研究方法，對高速切削淬硬鋼刀具失效機理進行研究(如圖1)；范小寧等[10]采用損傷-斷裂力學(xué)理論對起重機進行疲勞壽命估計，提高了估算結(jié)果的精度；周勝田[11]在研究航空發(fā)動機葉片疲勞受損問題時，結(jié)合損傷力學(xué)分析葉片疲勞損傷過程，改進了壽命的預(yù)測方法；鄔華芝[12]采用損傷力學(xué)作為基本方法研究鈦合金焊接接頭疲勞損傷模型，提出分形維數(shù)作為損傷變量建立鈦合金疲勞損傷模型；Kim等[13-14]研究在熱載荷作用下的應(yīng)力分布問題時，結(jié)合損傷理論，探究微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對硬質(zhì)合金力學(xué)性能的影響。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者以損傷力學(xué)作為基本方法，對不同領(lǐng)域中金屬材料的損傷問題進行了相關(guān)研究，不僅能完善材料細微觀結(jié)構(gòu)的損傷機理，同時也促進了損傷力學(xué)的應(yīng)用發(fā)展。

重型切削時刀具在切削制造過程中承受較大且隨機變化的切削力與切削熱作用，圖2為重型切削條件熱-力仿真分析結(jié)果。同時硬質(zhì)合金刀具制備過程中不可避免的會產(chǎn)生一些微觀損傷缺陷，刀具初始損傷在重型切削過程中循環(huán)載荷作用下，會不斷發(fā)生演化，加速材料損傷擴展的發(fā)生，為材料損傷提供了促進條件，從而導(dǎo)致刀具產(chǎn)生失效(如圖3)，使刀具的切削性能和使用壽命受到較大影響。因此為了探究刀具損傷失效本質(zhì)問題，可以結(jié)合損傷力學(xué)理論對重型切削過程中刀具失效機理進行分析，同時由于損傷力學(xué)主要研究細微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷變化引起宏觀力學(xué)性能劣化的過程，為分析刀具材料細微觀結(jié)構(gòu)方面的失效問題，也需結(jié)合損傷理論對刀具失效機理進行探討，對刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計及材質(zhì)優(yōu)化等有著重要意義。

1 損傷力學(xué)基本理論及應(yīng)用分析

1.1 損傷力學(xué)基本理論

損傷力學(xué)是指研究材料或構(gòu)件在載荷作用下?lián)p傷隨變形而演化發(fā)展，并最終導(dǎo)致破壞過程中的力學(xué)規(guī)律，主要分析材料從變形到破壞，損傷逐步積累的整個過程，其損傷機理大致為微裂紋萌生、演化、體積元破壞、宏觀裂紋生成、裂紋擴展、破壞六個階段。刀具失效是損傷累積與裂紋擴展的漸進過程，該過程與損傷力學(xué)應(yīng)用范圍較符合(如圖4)。因此結(jié)合損傷理論，對刀具失效細微觀本質(zhì)問題進行分析，起到完善刀具失效具體過程的作用。

1.2 損傷力學(xué)應(yīng)用分析

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，損傷力學(xué)應(yīng)用逐漸體現(xiàn)在宏-細-微觀損傷理論方面，即從宏觀角度分析損傷問題時，引入細微觀缺陷結(jié)構(gòu)，將材料細微觀結(jié)構(gòu)的演化與宏觀性能之間建立聯(lián)系，分別從宏-細-微觀不同角度進行損傷本構(gòu)分析，并將它應(yīng)用在材料從損傷、變形到失穩(wěn)或破壞的全過程。因此，材料宏-細-微觀多層次嵌套的損傷理論已經(jīng)是當今損傷力學(xué)的發(fā)展趨勢。近幾年，損傷理論在金屬、復(fù)合材料、混凝土、巖石、陶瓷等材料及工程結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用較為廣泛。隨著研究的不斷深入，材料的損傷機理、不同環(huán)境下的損傷理論以及耦合損傷的工程計算等方面正在取得更多研究成果。李杰等[15]提出了混凝土隨機損傷本構(gòu)關(guān)系與結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)分析的密度演化理論等內(nèi)容；馮西橋[16]在研究脆性材料細觀損傷理論時，提出以微裂紋拓展區(qū)描述材料的損傷狀態(tài)(如圖5)；李念等[17]建立了基于能量耗散原理的復(fù)合材料連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型；張志遠等[18]考慮加載路徑的影響，建立了塑性損傷演化方程，并用該方程分析了單軸拉-扭加載下金屬的塑性損傷；PaePegem等[19]用損傷力學(xué)方法研究復(fù)合金材料層板的疲勞損傷和永久變形，提出相應(yīng)損傷演化模型；Kumar等[20]提出用振動頻率監(jiān)測葉片低周疲勞損傷的方法，通過懸臂梁疲勞損傷演化方程確定損傷變化；Usik Lee等[21]提出基于局部損傷的等效橢圓裂紋表示連續(xù)的損傷力學(xué)研究方法；Mondelbrot[22]發(fā)現(xiàn)可采用分形幾何概念描述斷口損傷的程度，從此分形幾何在材料的損傷演化問題中得到廣泛應(yīng)用[23-24]。損傷力學(xué)作為一種新興的理論與方法，是應(yīng)用工程技術(shù)發(fā)展對基礎(chǔ)學(xué)科的需求而產(chǎn)生的，目前在固體力學(xué)與材料學(xué)科各個交叉領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，正處于迅速發(fā)展和完善的階段，并且已經(jīng)在航空航天、材料科學(xué)、機械加工等領(lǐng)域得到應(yīng)用，同時在重型切削領(lǐng)域也顯示出較為廣闊的應(yīng)用前景。

2 重型切削過程刀具損傷影響因素分析

2.1 重型切削材料屬性對刀具損傷影響

在重型切削技術(shù)領(lǐng)域，核電相關(guān)裝置為典型大型高端設(shè)備，其中核電蒸發(fā)器中的水室封頭(如圖6)屬于核電站設(shè)備的關(guān)鍵零部件[25]，為本文重型切削加工的主要研究對象。它具有型面特征復(fù)雜、材質(zhì)特殊、表面有硬化層等特點，導(dǎo)致刀具在切削加工過程中會承受較高的沖擊載荷作用，加速刀具材料損傷擴展，縮短刀具失效時間，降低刀具服役壽命。同時水室封頭是由508Ⅲ鋼鍛造毛坯加工而成，加工材料508Ⅲ鋼化學(xué)成分如表1所示，許多諸如Cr、Ni、Mo、V等高熔點元素會與材料中其他的非金屬元素結(jié)合形成高熔點和高硬度的化合物，增大刀具在材料加工過程中的切削阻力與切削功率[26]，從而產(chǎn)生更多的切削熱，促進刀具材料損傷萌生，導(dǎo)致刀具損傷較嚴重，加速刀具失效的發(fā)生。

表1 508III鋼主要化學(xué)成分(%)

2.2 重型切削加工技術(shù)特性對刀具損傷影響

重型切削加工方式屬于典型的極端制造(如圖7)，切削參數(shù)明顯大于普通切削，是中小型機床的10～15倍，切削力高達10 t，切削溫度可達1 000 ℃，加工環(huán)境具有高溫、高壓、高載荷的特點，使刀具承受的機械-熱載荷遠高于普通切削過程，刀具材料損傷速度增快。重型切削的加工條件對刀具材料的損傷形成具有促進作用，且加工的外界環(huán)境更符合損傷力學(xué)的應(yīng)用條件。

3 硬質(zhì)合金刀具損傷研究

3.1 硬質(zhì)合金刀具損傷特性

硬質(zhì)合金屬于連續(xù)介質(zhì)，在刀具制備過程中，需要將粉末壓制成坯料，放進燒結(jié)爐加熱到一定溫度進行燒結(jié)，在此過程中材料內(nèi)部不可避免的會出現(xiàn)孔隙、晶粒團聚、夾粗、臟化和夾質(zhì)等現(xiàn)象(如圖8)，使刀具材料產(chǎn)生孔洞、裂紋、分層、滲碳等缺陷。硬質(zhì)合金主要成分為WC、TiC和Co，雖為脆性材料，但在重型切削過程中大量切削熱的作用下，材料內(nèi)部會發(fā)生局部塑性化，影響硬質(zhì)合金的本構(gòu)關(guān)系(如圖9)，為刀具損傷的擴展提供了條件。而硬質(zhì)合金的損傷缺陷與基體微觀結(jié)構(gòu)共同決定材料的力學(xué)特性，在刀具重型切削過程中，由于受到循環(huán)沖擊載荷作用，硬質(zhì)合金材料初始和新生的損傷微缺陷會在不同應(yīng)力作用下不斷演化與擴展，對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，降低刀具的切削性能，導(dǎo)致刀具易產(chǎn)生失效，因此刀具失效問題與硬質(zhì)合金材料損傷特性密切相關(guān)。

3.2 硬質(zhì)合金刀具損傷失效分析

重型銑削水室封頭過程中現(xiàn)場所用刀片的失效形式如圖10所示，主要有粘結(jié)失效、沖擊破損和磨損失效。圖10a是粘結(jié)失效，在較高的切削溫度下，硬質(zhì)合金材料內(nèi)部晶粒間作用弱化，材料損傷不斷積累，刀具硬度逐漸下降，隨著切屑的運動，前刀面部分材料產(chǎn)生粘結(jié)并離開，形成破損區(qū)域，然而該破損區(qū)域又會被硬度較低的工件材料粘附，最終產(chǎn)生粘結(jié)失效；圖10b是沖擊破損，刀片在沖擊載荷作用下，損傷裂紋沿晶粒間不斷演化，使材料內(nèi)部裂紋擴展失穩(wěn)，導(dǎo)致刀具發(fā)生破損，刀具材料沿著裂紋邊界脫落；圖10c是磨損失效，一般發(fā)生在前刀面，在大量切削力的作用下，材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與晶粒成分發(fā)生改變，損傷不斷萌生、演化，材料強度降低，在刀具與工件摩擦作用下材料表面逐漸形成磨損區(qū)域，當磨損量達到一定臨界值，即發(fā)生磨損失效。損傷力學(xué)的研究致力于材料內(nèi)部存在的微缺陷(位錯、微裂紋、微孔洞等)的演化過程，根據(jù)刀具材料損傷失效分析，結(jié)合損傷理論對重型切削過程中刀具失效機理進行探討則具有一定的可行性。

水室封頭重型銑削過程屬于典型斷續(xù)加工，刀具失效機理更加復(fù)雜，主要為損傷累積、裂紋萌生、裂紋擴展、刀具斷裂的漸進過程。傳統(tǒng)的刀具失效分析還不能夠準確描述裂紋從微觀缺陷發(fā)展至宏觀裂紋直至斷裂的規(guī)律，且沖擊破損是隨機事件，對預(yù)測刀具壽命增加了一定的難度?；趽p傷力學(xué)對硬質(zhì)合金刀具失效機理進行分析，結(jié)合損傷理論和損傷失效試驗，確定刀具損傷變量，建立損傷模型，系統(tǒng)分析重型切削過程中硬質(zhì)合金材料的損傷問題，進行刀具損傷狀態(tài)及壽命預(yù)測，為刀具失效和使用壽命的研究探索一個新的嘗試。

4 基于損傷力學(xué)的刀具失效研究方向展望

通過上述分析探討，在重型切削領(lǐng)域中，硬質(zhì)合金刀具失效與材料內(nèi)部損傷的萌生與演化密切相關(guān)，并且刀具失效過程也符合損傷力學(xué)的應(yīng)用條件。但目前在重型切削刀具失效方面的研究大多集中于切削力與切削熱對刀具磨損和破損的影響，以及前刀面溫度場分布對刀具壽命的影響等內(nèi)容。筆者[27]針對重型制造中水室封頭加工特點，提出硬質(zhì)合金刀具主要失效形式；何耿煌[28]對大型筒節(jié)零件高效切削進行研究時，從沖擊載荷角度分析重型硬質(zhì)合金車刀沖擊斷裂產(chǎn)生的原因；劉獻禮等[29]對重型沖擊載荷導(dǎo)致的硬質(zhì)合金刀片整體斷裂行為進行分析，明確了刀片沖擊斷裂的臨界條件。損傷理論目前在不同領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用，在切削加工方面，主要體現(xiàn)在切屑成形機理研究中。Uhlmann等[30]將塑性損傷引入到工件材料的Johnson-Cook本構(gòu)方程中，通過有限元仿真研究了加工時的鍋齒狀切屑成形；Mabrouk等[31]在工件材料本構(gòu)方程中考慮材料損傷演變與斷裂能之間的親合效應(yīng)，研究切削速度對干切削鈦合金時切屑成形過程中各物理現(xiàn)象的影響；Owen等[32]在有限元仿真過程中考慮了絕熱剪切局部化導(dǎo)致的材料失效，并基于塑性損傷模型確定了工件材料的失效準則；Vaz等[33]評估了基于損傷模型建立的材料失效準則對切屑成形機理研究的影響。相關(guān)學(xué)者針對刀具失效機理多分析宏觀失效問題，而損傷理論在切削加工領(lǐng)域切屑成形機理方面的應(yīng)用已有一定的研究基礎(chǔ)，但較少涉及刀具失效機理方面，尤其在重型切削刀具材料損傷失效機理的研究還存在一定的挑戰(zhàn)。

硬質(zhì)合金材料在宏-細-微觀結(jié)構(gòu)方面的研究已有一定的基礎(chǔ)，這為刀具材料的損傷分析提供了一定的理論依據(jù)。李壯等[34]在研究WC-Co硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性影響中，提出硬質(zhì)合金的斷裂是沿著 Co粘結(jié)相斷裂為主，個別沿著 WC 晶粒劈裂；劉壽容[35]在研究WC硬質(zhì)合金性能與顯微結(jié)構(gòu)關(guān)系時，提出合金的形變主要取決于WC骨架的彈性形變、位錯的滑移和斷裂；Sun等[36]運用放電等離子體燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金材料時，發(fā)現(xiàn)WC-Co硬質(zhì)合金的斷裂行為主要發(fā)生在晶界間；王東等[37]構(gòu)建了WC-Co硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)的二維參數(shù)化模型(如圖11)，并對模型施加單向拉伸載荷進行仿真模擬；Park[38]利用Boolean算法模擬WC多邊形晶粒涂層刀具在切削過程中的刀具壽命問題。相關(guān)學(xué)者從宏-細-微觀多角度對硬質(zhì)合金材料在不同載荷條件下的損傷問題進行分析研究，完善了材料的細微觀損傷理論，為刀具材料損傷失效機理的探討提供一定的理論參考。

通過對重型切削過程中刀具失效問題與硬質(zhì)合金材料細微觀理論等內(nèi)容進行的相關(guān)分析，結(jié)合損傷理論，提出重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具材料細-微觀損傷機理的主要研究方向及方法(如圖12)。首先通過分析重型切削過程中的載荷特性與硬質(zhì)合金材料屬性，確定刀具材料損傷基本過程，其中筆者已經(jīng)對重型切削過程中刀片承受的載荷特性進行了分析(如圖13)，為探究刀具損傷條件起到一定的參考，并對硬質(zhì)合金材料微觀組織形貌和高溫硬度特性進行了研究(如圖14、15)，將材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性之間建立了一定的聯(lián)系；進而經(jīng)過模擬實驗與仿真分析確定刀具材料S-N曲線與等效應(yīng)力方程，建立刀具材料本構(gòu)關(guān)系和損傷演化方程，分析刀具失效準則，建立刀具壽命方程；最后以損傷最小為目標，對極端制造高效銑削技術(shù)進行優(yōu)化分析。通過分析刀具材料微細觀損傷本質(zhì)問題，完善刀具失效基本過程，對重型切削刀具技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

5 結(jié)語

重型切削過程中刀具失效問題始終是制約其快速發(fā)展的主要因素之一，雖然已經(jīng)取得一些研究成果，但由于目前研究方法與分析角度還存在一定局限性，導(dǎo)致刀具失效機理較不全面，仍需進一步深入探討。刀具失效屬于損傷累積的漸進過程，而損傷力學(xué)主要分析材料損傷缺陷的演化擴展過程，因此為完善刀具失效具體過程，可將損傷力學(xué)作為基本方法，對刀具失效機理進行分析。

本文通過探究損傷力學(xué)基本理論及應(yīng)用，闡述了刀具失效問題符合損傷力學(xué)的應(yīng)用范圍，并進行重型切削過程刀具損傷影響因素的分析，明確了重型切削材料與加工技術(shù)對刀具損傷具有促進作用，同時針對硬質(zhì)合金刀具材料損傷特性，確定硬質(zhì)合金材料內(nèi)部損傷與刀具宏觀失效的聯(lián)系，最終提出刀具失效與硬質(zhì)合金材料損傷密切相關(guān)。因此結(jié)合損傷理論對刀具失效細微觀本質(zhì)問題進行分析，提出具體研究方向與方法，加強刀具損傷理論基礎(chǔ)，對完善刀具材料損傷機理的研究具有重要意義。

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