損傷力學在重型切削硬質合金刀具失效分析中的應用探討*

程耀楠 聶婉瑩 賈煒坤 王 超 吳明陽

(哈爾濱理工大學機械動力工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著世界經濟的快速發展，采用設備的技術要求逐漸趨于極端化，其中重型切削是極端制造的關鍵基礎之一，而切削過程具有切削參數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沖擊載荷作用，使刀具失效問題突出，導致刀具失效成為制約重型切削發展的一個主要因素。針對刀具失效問題，很多學者已經進行了相關研究。劉戰強等[1]研究刀-屑接觸區應力與刀具磨損的相關性，討論刀具幾何角度對接觸區應力分布的影響。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]對斷續切削過程中硬質合金刀具破損問題進行了探討；Ezugwu等[4]研究了斷續切削條件下，TiN涂層硬質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，預測了WC-Co涂層刀具斷續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用與刀具結構設計具有較重要意義，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。

隨著科學不斷進步，損傷理論發展更加完善，主要是考察材料損傷對宏觀性能的影響，這將與傳統力學只注重材料由變形到破壞的起點-終點式研究有所不同，讓人們對材料力學性質的認識更加深刻，并趨于合理性。近幾年，損傷力學的應用主要在材料或機構宏、細、微觀結構破壞過程中，其中在破壞分析、壽命估計、材料韌化、力學性能預測等方面的應用則較廣泛。崔曉斌[9]采用損傷力學作為研究方法，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-斷裂力學理論對起重機進行疲勞壽命估計，提高了估算結果的精度；周勝田[11]在研究航空發動機葉片疲勞受損問題時，結合損傷力學分析葉片疲勞損傷過程，改進了壽命的預測方法；鄔華芝[12]采用損傷力學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力分布問題時，結合損傷理論，探究微觀結構參數對硬質合金力學性能的影響。國內外相關學者以損傷力學作為基本方法，對不同領域中金屬材料的損傷問題進行了相關研究，不僅能完善材料細微觀結構的損傷機理，同時也促進了損傷力學的應用發展。

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-力仿真分析結果。同時硬質合金刀具制備過程中不可避免的會產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載荷作用下，會不斷發生演化，加速材料損傷擴展的發生，為材料損傷提供了促進條件，從而導致刀具產生失效(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問題，可以結合損傷力學理論對重型切削過程中刀具失效機理進行分析，同時由于損傷力學主要研究細微觀結構中的缺陷變化引起宏觀力學性能劣化的過程，為分析刀具材料細微觀結構方面的失效問題，也需結合損傷理論對刀具失效機理進行探討，對刀具結構設計及材質優化等有著重要意義。

1 損傷力學基本理論及應用分析

1.1 損傷力學基本理論

損傷力學是指研究材料或構件在載荷作用下損傷隨變形而演化發展，并最終導致破壞過程中的力學規律，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，該過程與損傷力學應用范圍較符合(如圖4)。因此結合損傷理論，對刀具失效細微觀本質問題進行分析，起到完善刀具失效具體過程的作用。

1.2 損傷力學應用分析

隨著科學技術的不斷創新發展，損傷力學應用逐漸體現在宏-細-微觀損傷理論方面，即從宏觀角度分析損傷問題時，引入細微觀缺陷結構，將材料細微觀結構的演化與宏觀性能之間建立聯系，分別從宏-細-微觀不同角度進行損傷本構分析，并將它應用在材料從損傷、變形到失穩或破壞的全過程。因此，材料宏-細-微觀多層次嵌套的損傷理論已經是當今損傷力學的發展趨勢。近幾年，損傷理論在金屬、復合材料、混凝土、巖石、陶瓷等材料及工程結構方面的應用較為廣泛。隨著研究的不斷深入，材料的損傷機理、不同環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關系與結構非線性反應分析的密度演化理論等內容；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描述材料的損傷狀態(如圖5)；李念等[17]建立了基于能量耗散原理的復合材料連續介質損傷力學模型；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]用損傷力學方法研究復合金材料層板的疲勞損傷和永久變形，提出相應損傷演化模型；Kumar等[20]提出用振動頻率監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的損傷力學研究方法；Mondelbrot[22]發現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用[23-24]。損傷力學作為一種新興的理論與方法，是應用工程技術發展對基礎學科的需求而產生的，目前在固體力學與材料學科各個交叉領域獲得廣泛的應用，正處于迅速發展和完善的階段，并且已經在航空航天、材料科學、機械加工等領域得到應用，同時在重型切削領域也顯示出較為廣闊的應用前景。

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

在重型切削技術領域，核電相關裝置為典型大型高端設備，其中核電蒸發器中的水室封頭(如圖6)屬于核電站設備的關鍵零部件[25]，為本文重型切削加工的主要研究對象。它具有型面特征復雜、材質特殊、表面有硬化層等特點，導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]，從而產生更多的切削熱，促進刀具材料損傷萌生，導致刀具損傷較嚴重，加速刀具失效的發生。

表1 508III鋼主要化學成分(%)

2.2 重型切削加工技術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，且加工的外界環境更符合損傷力學的應用條件。

3 硬質合金刀具損傷研究

3.1 硬質合金刀具損傷特性

硬質合金屬于連續介質，在刀具制備過程中，需要將粉末壓制成坯料，放進燒結爐加熱到一定溫度進行燒結，在此過程中材料內部不可避免的會出現孔隙、晶粒團聚、夾粗、臟化和夾質等現象(如圖8)，使刀具材料產生孔洞、裂紋、分層、滲碳等缺陷。硬質合金主要成分為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，材料內部會發生局部塑性化，影響硬質合金的本構關系(如圖9)，為刀具損傷的擴展提供了條件。而硬質合金的損傷缺陷與基體微觀結構共同決定材料的力學特性，在刀具重型切削過程中，由于受到循環沖擊載荷作用，硬質合金材料初始和新生的損傷微缺陷會在不同應力作用下不斷演化與擴展，對材料的力學性能產生影響，降低刀具的切削性能，導致刀具易產生失效，因此刀具失效問題與硬質合金材料損傷特性密切相關。

3.2 硬質合金刀具損傷失效分析

重型銑削水室封頭過程中現場所用刀片的失效形式如圖10所示，主要有粘結失效、沖擊破損和磨損失效。圖10a是粘結失效，在較高的切削溫度下，硬質合金材料內部晶粒間作用弱化，材料損傷不斷積累，刀具硬度逐漸下降，隨著切屑的運動，前刀面部分材料產生粘結并離開，形成破損區域，然而該破損區域又會被硬度較低的工件材料粘附，最終產生粘結失效；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，使材料內部裂紋擴展失穩，導致刀具發生破損，刀具材料沿著裂紋邊界脫落；圖10c是磨損失效，一般發生在前刀面，在大量切削力的作用下，材料內部微觀結構與晶粒成分發生改變，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域，當磨損量達到一定臨界值，即發生磨損失效。損傷力學的研究致力于材料內部存在的微缺陷(位錯、微裂紋、微孔洞等)的演化過程，根據刀具材料損傷失效分析，結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加工，刀具失效機理更加復雜，主要為損傷累積、裂紋萌生、裂紋擴展、刀具斷裂的漸進過程。傳統的刀具失效分析還不能夠準確描述裂紋從微觀缺陷發展至宏觀裂紋直至斷裂的規律，且沖擊破損是隨機事件，對預測刀具壽命增加了一定的難度。基于損傷力學對硬質合金刀具失效機理進行分析，結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，系統分析重型切削過程中硬質合金材料的損傷問題，進行刀具損傷狀態及壽命預測，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，在重型切削領域中，硬質合金刀具失效與材料內部損傷的萌生與演化密切相關，并且刀具失效過程也符合損傷力學的應用條件。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容。筆者[27]針對重型制造中水室封頭加工特點，提出硬質合金刀具主要失效形式；何耿煌[28]對大型筒節零件高效切削進行研究時，從沖擊載荷角度分析重型硬質合金車刀沖擊斷裂產生的原因；劉獻禮等[29]對重型沖擊載荷導致的硬質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域得到了較廣泛的應用，在切削加工方面，主要體現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]在工件材料本構方程中考慮材料損傷演變與斷裂能之間的親合效應，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。相關學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域切屑成形機理方面的應用已有一定的研究基礎，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。

硬質合金材料在宏-細-微觀結構方面的研究已有一定的基礎，這為刀具材料的損傷分析提供了一定的理論依據。李壯等[34]在研究WC-Co硬質合金微觀結構對宏觀性影響中，提出硬質合金的斷裂是沿著 Co粘結相斷裂為主，個別沿著 WC 晶粒劈裂；劉壽容[35]在研究WC硬質合金性能與顯微結構關系時，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制備WC-Co硬質合金材料時，發現WC-Co硬質合金的斷裂行為主要發生在晶界間；王東等[37]構建了WC-Co硬質合金微觀結構的二維參數化模型(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。相關學者從宏-細-微觀多角度對硬質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合金材料細微觀理論等內容進行的相關分析，結合損傷理論，提出重型切削過程中硬質合金刀具材料細-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合金材料屬性，確定刀具材料損傷基本過程，其中筆者已經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)，將材料微觀結構與宏觀力學特性之間建立了一定的聯系；進而經過模擬實驗與仿真分析確定刀具材料S-N曲線與等效應力方程，建立刀具材料本構關系和損傷演化方程，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進行優化分析。通過分析刀具材料微細觀損傷本質問題，完善刀具失效基本過程，對重型切削刀具技術的發展具有重要意義。

5 結語

重型切削過程中刀具失效問題始終是制約其快速發展的主要因素之一，雖然已經取得一些研究成果，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基本理論及應用，闡述了刀具失效問題符合損傷力學的應用范圍，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對刀具損傷具有促進作用，同時針對硬質合金刀具材料損傷特性，確定硬質合金材料內部損傷與刀具宏觀失效的聯系，最終提出刀具失效與硬質合金材料損傷密切相關。因此結合損傷理論對刀具失效細微觀本質問題進行分析，提出具體研究方向與方法，加強刀具損傷理論基礎，對完善刀具材料損傷機理的研究具有重要意義。

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