基于疲劳裂纹取向效应的多维梯度复合刀具基础研究

High speed intermittent cutting (face milling and intermittent turning) is the most intensively applied high speed cutting technology, in which the cutting tool is subjected to the cyclic and interactive loadings of transient severe entry and exit shocks, ultra-high frequency friction oscillation, as well as the cooling and stress relaxation during non-cutting period. Tool failure is a very complex process of thermo-mechanical fatigue. Aiming at the high speed intermittent cutting of hardened steels, this proposal applies the combined modeling method of multi-time scale with multi space scale, to investigate the spatio-temporal evolution of tool stress, strain and temperature, simulate the propagation process and orientation of thermo-mechanical fatigue crack, with a combined failure criterion. The design model for multi-dimensional graded composite tools will be proposed, correlating its property orientation with the tool fatigue cracking orientation. The tool-chip and tool-workpiece contact regions are designated as ceramic with high hardness, with the composition changing gradually to improve strength, toughness and fatigue resistance along the fatigue crack propagation direction, making the thermo-mechanical fatigue crack propagate along the direction with maximum resistance. The compositional distribution, sintering process will be investigated and optimized to fabricate multi-dimensional graded composite tools, so as to improve the resistance to thermo-mechanical fatigue crack propagation of high speed intermittent cutting tools. This proposal will provide new principle and new method for the design of high speed cutting tools, with great theoretical and practical significance.

高速断续切削加工（面铣和断续车削）是应用最广泛的高速切削技术，刀具承受切入、切出瞬时的强烈热－机械冲击、锯齿切屑形成导致的超高频摩擦振荡、以及空切阶段冷却及应力释放的循环交互作用，刀具失效是非常复杂的热－机械复合疲劳过程。本项目针对淬硬钢的高速断续切削加工，采用多时间尺度与多空间尺度相结合的建模方法，研究刀具应力、应变和温度的时空演变规律，模拟刻画热－机械复合疲劳裂纹的扩展过程及其取向，并提出复合失效判据。建立多维梯度复合刀具设计模型，将其性能取向与刀具疲劳裂纹取向相关联，将刀具的刀－屑、刀－工接触区设计为高硬度陶瓷，沿疲劳裂纹扩展方向通过组分渐变以提高强度、韧性和抗疲劳性能，使疲劳裂纹沿阻力最大的方向扩展。优化刀具材料组分及其分布、烧结制备工艺，制造多维梯度复合刀具，提高抑制高速断续切削刀具热－机械复合疲劳失效的能力，提供高速切削刀具设计的新原理和新方法，具有重要的理论和实际意义。

绝大多数高速切削加工的应用场合均属于断续切削，而其中最典型且刀具工作条件最严酷的就是高硬材料的干式断续车削和面铣。国内外大量研究结果表明：高速断续切削刀具的主要失效形式不是磨损，而是以热-机械复合疲劳为特征的破损。本项目针对淬硬钢的高速断续切削加工，采用切削试验结合有限元仿真的方法，研究了刀具应力、应变和温度的时空演变规律。在此基础上，采用3D显微镜对陶瓷刀具断续车削20CrMnTi淬硬钢时的刀具疲劳裂纹扩展路径进行分析。结果发现，在疲劳裂纹起始阶段：冲击作用下疲劳裂纹起源于刀具前刀面最大拉应力处，并由此向刀具内部扩展。疲劳裂纹扩展阶段又可分为三个阶段。第一阶段：由于循环剪应力的作用，裂纹沿着最大剪应力方向扩展（与压应力近似呈45°方向）；第二阶段：裂纹扩展方向沿垂直于最大主应力的方向扩展，即平行于前刀面方向扩展；第三阶段：由于边缘效应，导致裂纹向边缘（即刀具前刀面）扩展，最终引起刀具断裂。该结果与采用扩展有限元法（XFEM）和内聚力法（CZM）得到的裂纹扩展规律相符，为多维梯度复合刀具提供了设计依据。建立了多维梯度复合刀具设计模型，通过梯度层数、梯度层厚度以及烧结工艺优化，研制成功Al2O3-(W, Ti)C-TiN、Al2O3-TiC和Al2O3-TiC-TiB2三种体系的多维梯度复合刀具，它们的维氏硬度、断裂韧度和抗弯强度分别为23.55GPa（表层）、10.16MPam1/2（表层）和1018MPa；21.22GPa（表层）、9.07MPam1/2（表层）和761MPa；以及23.59GPa（表层）、7.45MPam1/2（表层）和764.11MPa。高速断续车削淬硬钢时，多维梯度复合刀具的寿命高于商用均质陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具以及相同材料体系的一维梯度复合刀具，主要原因在于多维梯度复合刀具具有较高的抗机械冲击和热冲击性能，从而提高了抵抗热-机械疲劳裂纹扩展的能力。本项目所提出的多维梯度复合刀具设计思想为难加工材料切削刀具的研制提供了一种新思路；针对疲劳裂纹“取向效应”的刀具性能“取向设计”为刀具延寿开辟了一条新途径。