基于木材切削的陶瓷刀具断裂失效机理及切削性能的研究

Ceramic tools have been widely used in metal cutting, but not used in wood cutting, which is because of the lower fracture toughness of ceramic cutting tools, the anisotropy of wood and high speed cutting which extremely lead to the chipping damage (fracture failure) of ceramic tools. The reinforced Si3N4 and Al2O3 ceramic cutting tools will be adopted in this project. Fracture mechanism, abrasion mechanism and cutting quality will be studied, and then the fracture failure suppression strategy, the optimal angle and the optimal cutting process will also be put forward. The aim of this project is to expand the field of application and improve the cutting performance of ceramic tools during woodworking. The failure mechanism of ceramic tools will be revealed by the analysis of effect of different ceramic tools, angle of cutting tool, cutting materials and cutting conditions on the dynamic cutting forces, and properties or types of fracture. On this basis, the mechanism of tool wear of ceramic tools will be revealed by the analysis of the rake face and flank face wear evolution. The optimal wear parameters of ceramic tools will be revealed by the analysis of its effect on cutting quality. In this project, the theory of fracture failure and cutting performance of ceramic tools will be enriched, and then the scientific theoretical support and the practical basis for realizing the application of ceramic tools in wood cutting field will be provided.

陶瓷刀具已经广泛应用于金属切削，但应用于木材切削时，因为陶瓷刀具断裂韧性较低、木材各向异性及高速切削等的特点，极易造成陶瓷刀具崩刃破损（断裂失效）。本项目采用增韧的Si3N4和Al2O3等陶瓷材料制备陶瓷木工刀具，研究陶瓷木工刀具断裂失效机理、正常磨损机理及切削质量，提出断裂失效抑制策略，优化角度及切削工艺，旨在拓展陶瓷刀具应用领域和提高陶瓷木工刀具切削性能。本研究拟通过分析不同增韧陶瓷木工刀具、刀具角度及切削工艺对动态切削力的影响及对断裂性质和类型的影响，揭示陶瓷木工刀具断裂失效机理。在此基础上，通过分析陶瓷木工刀具前、后刀面磨损演变过程，揭示陶瓷木工刀具磨损机理；通过分析陶瓷木工刀具磨损参数对切削质量的影响，揭示陶瓷木工刀具磨损的最优评价参数。本项目的开展和完成将丰富陶瓷木工刀具断裂失效理论及切削性能的研究，为实现陶瓷刀具在木材切削加工领域的应用奠定科学理论支持和提供实践依据。

针对木材切削过程中，陶瓷刀具自身的脆性，刀具角度及切削工艺的不当极易导致断裂失效的问题，本项目采用增韧陶瓷材料制备陶瓷木工刀具，通过铣削、载荷破坏试验及仿真模拟，分析了不同增韧陶瓷材料、刀具角度及切削工艺对动态切削力的影响及对断裂性质和类型的影响，研究了陶瓷木工刀具断裂时的裂纹扩展及其应力分布，揭示了陶瓷木工刀具断裂失效机理。在此基础上，通过分析陶瓷木工刀具磨损演变过程，揭示了陶瓷木工刀具磨损机理；通过分析陶瓷木工刀具磨损参数对切削质量的影响，明确了后刀面磨损量作为磨损的较优评价参数。研究结果表明：(1)陶瓷木工刀具前角变化对切削力的影响显著性高于后角变化；氮化硅陶瓷木工刀具铣削时的切削力略低于氧化铝陶瓷木工刀具的切削力。(2)陶瓷木工刀具的断口形貌主要为晶粒脱落，裂纹，崩刃及剥落，其断裂形式主要为穿晶断裂和沿晶断裂。(3)陶瓷木工刀具的断裂演变，主要分为弹性阶段、塑性阶段及破损阶段。 (4)陶瓷木工刀具后刀面的磨损量随着后角的减小呈增大趋势，且高速切削对陶瓷刀具磨损更为明显；在相同的切削条件下，胶合板对陶瓷木工刀具磨损影响最大，水曲柳和纤维板次之，而杉木对陶瓷木工刀具磨损的影响最小；陶瓷木工刀具的磨损机理主要为磨粒磨损和粘结磨损。(5)已加工表面粗糙度和后刀面磨损量有着相似的趋势；氮化硅陶瓷木工刀具的加工质量略优于氧化铝陶瓷刀具的切削质量；随着楔角的增大，加工质量变差；在高速切削条件下，前角和楔角对加工质量的影响更显著。(6)氮化硅陶瓷木工刀具比氧化铝陶瓷木工刀具更适宜用于断续切削；在加工质地均匀材料或硬度较低的木质材料时，氧化铝陶瓷木工刀具更为适宜，较优参数如下：楔角65-75°，切削速度52.3m/s；在加工非均质材料或硬度较高的木质材料时，氮化硅陶瓷木工刀具更为适宜，具体参数如下：楔角70°，切削速度52.3m/s；在加工胶合板、刨花板等胶黏剂含量较大的人造板时，采用氮化硅陶瓷木工刀具最为合适，具体参数如下：楔角70-75°，切削速度26.2m/s。本项目的完成丰富了木材切削理论，并拓展了陶瓷刀具在木材加工领域的应用。