基于刀具材料机械-热疲劳特性的陶瓷刀具切削可靠性研究

Ceramic tools are susceptible to cracks and easy to be fractured in interrupted cutting and continuous cutting for a long time, which is mainly induced by the fatigue crack growth in the ceramic tool material. The project aims to build the relationship between ceramic tool reliable life and tool stress, temperature and mechanical properties of tool materials. The effects of components on strength of static fatigue and cyclic fatigue and parameters of subcritical crack growth of ceramic tool materials will be studied, as well as the effects of components, temperature difference, the number of thermal shock on thermal fatigue properties will be investigated. The fatigue crack propagation mechanism of ceramic tool materials will be worked out. Subsequently, the ceramic tool stress and temperature changed with cutting parameters in continuous and intermittent cutting will be studied. The random distribution of mechanical properties of ceramic tool materials will be modeled. Finally, on the basis of the above research, the predicted model of ceramic tool reliable life depending on ceramic tool stress, temperature and mechanical properties of ceramic tool materials will be worked out. The research results of this project will benefit for not only the design of ceramic tool materials but also the determination of ceramic tool cutting parameters and changing time.

陶瓷刀具在较长时间连续或断续切削后，易产生由于刀具材料疲劳裂纹扩展造成的切削刃断裂或后刀面材料剥落等破损失效形式，本项目旨在以陶瓷刀具材料的疲劳性能为桥梁，建立陶瓷刀具可靠寿命与切削时刀具应力、温度及刀具材料力学性能的关联关系。研究组分对陶瓷刀具材料静疲劳和循环疲劳强度及亚临界裂纹扩展参数的影响规律，以及组分、温差、热震次数对热震强度和热疲劳裂纹扩展参数的影响规律，揭示陶瓷刀具材料疲劳裂纹扩展机理；研究连续和断续切削时，刀具应力、温度随切削用量和刀具几何角度的变化规律；研究陶瓷刀具材料抗弯强度、断裂韧度随机分布特征，建立相应的分布模型。在以上研究的基础上，以刀具材料疲劳裂纹扩展到临界状态刀具破损失效这一原则，建立基于刀具应力、温度及刀具材料力学性能的陶瓷刀具可靠寿命预测模型。该项目研究成果将为陶瓷刀具材料设计提供理论基础，并为自动生产线上切削参数选择和换刀时间确定提供直观的数值依据。

在高速切削加工中，刀具寿命是一个重要的参数，它直接影响到刀具需求计划制定、刀具成本核算、换刀策略和切削参数选择。对于陶瓷刀具来说，刀具材料力学性能的随机性导致陶瓷刀具寿命随机分布。如何基于陶瓷刀具材料的力学性能预测陶瓷刀具的切削可靠性是陶瓷刀具设计和应用中亟需解决的问题。另外，现阶段陶瓷刀具多采用传统的热压烧结制备，生产效率低，导致陶瓷刀具成本高，应用范围小。在此背景下，项目设计了微波烧结专用保温装置，确定了最佳的辅助加热粉末含量及刀具素坯的埋粉位置，研究了素坯压制工艺和微波烧结工艺对陶瓷刀具材料微观组织和力学性能的影响，利用微波烧结技术制备了Al2O3基、Si3N4基和Ti(C,N)基3个系列5种不同组分具有较好切削性能的陶瓷刀具，实现了陶瓷刀具微波烧结能力，为高性能陶瓷刀具工业化生产奠定了基础。在此基础上，本项目研究了Al2O3基陶瓷刀具材料在室温和高温时的机械疲劳特性，得到了机械疲劳强度和亚临界裂纹扩展参数随温度和组分的变化关系，发现适量的金属相能提高陶瓷刀具材料在室温和高温时的抗疲劳性能，研究了亚临界裂纹萌生和扩展的形式，揭示了陶瓷刀具材料机械疲劳断裂机理；研究了陶瓷刀具材料热疲劳特性，确定了其临界热震温差以及热疲劳裂纹扩展速率与热震次数的关系，发现单条裂纹的扩展存在随机性，全部裂纹的扩展率以及长度扩展率具有规律性，揭示热疲劳裂纹扩展机理。通过仿真研究了陶瓷刀具在切削不锈钢时，切削用量对刀具应力场和温度场的影响规律，优选了微波烧结的陶瓷刀具在切削奥氏体不锈钢和模具钢的最优切削用量和刀具几何参数，确定了陶瓷刀具在最优切削用量切削时，刀尖和刀具后刀面处温度和拉应力数值及分布状态。创建了陶瓷刀具材料动态疲劳性能和陶瓷刀具疲劳破损寿命之间的关系模型，建立了陶瓷刀具寿命分布模型和切削可靠度模型，实现对陶瓷刀具可靠寿命预测。本项目实现了在低温快速条件下陶瓷刀具的制备，并利用刀具材料力学性能定量评价陶瓷刀具的切削性能，项目研究成果具有实际应用价值，有利于促进陶瓷刀具和高速切削技术发展。