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收稿日期：年 月 刀具崩刃失效机理及改进研究靳月红，刘书锋，崔卫民，袁帅，马洁，杨根，李启泉郑州博特硬质材料有限公司；中原工学院材料与化工学院摘要：针对 刀具实际应用中的崩刃情况，通过切削实验并结合多年实践经验，提出了控制切削力和刀尖受力极限以解决崩刃现象。分析了刀片参数和切削参数对切削力和刀尖受力极限的影响因素及变化关系，提出合理的刀片参数具有增强刀尖受力极限和增加切削力的作用，在实际应用中，通过降低切削力和调整参数确保刀尖受力极限超过切削力。研究切削参数对切削温度影响时发现，提高切削温度可软化金属，大幅降低切削力，刀具更适合高速切削。关键词：刀具；切削力；刀尖受力极限；切削温度；刀片参数；切削参数中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言 刀具作为一种新型超硬材料刀具，近年来迅速代替传统硬质合金和陶瓷刀具，逐渐成为机械加工行业刚性需求的主流刀具。立方氮化硼在已知材料中硬度排名第二，仅次于金刚石，但其弥补了金刚石加工黑色金属的化学黏附问题，在黑色金属加工领域中优势显著 。刀具的红硬性好、耐高温、热导率高以及摩擦系数低，非常适合高速干式切削，但对机床刚性和功率要求较高 。由于 刀具的断裂韧性相对硬质合金刀具较低，对加工过程中的振动和切削力变化较敏感，实际应用中经常出现崩刃或断裂的现象，从而加速了刀具失效，此问题严重影响 刀具的推广应用。任帅民等 在刀具断续切削过程中观测切削力变化发现，切削力随负倒棱角度增大呈现先增大后减小的趋势。叶铮 研究发现，当增加 刀具负倒棱宽度时，切削力呈先增大再减小再增大的趋势，且最后增长幅度不明显。胡艳艳等 通过有限元分析得出，切削过程最高温度集中在刀屑接触面上刀尖附近区域内，温度最高点不在刀尖处，而位于前刀面上距离刀尖不远处。等 研究发现，当刀尖圆角半径从 增至 时，切削温度增加了 ，当圆角半径从 增至 时，切削温度增加了 。咸成吉等 采用有限元模拟研究发现，随着刀具前角的增大，切削温度逐渐减小，刀具前刀面对切削层的挤压以及前刀面和切屑之间的摩擦减小。等 进行高速干式切削 钢实验研究时发现，随着切削速度的提高，切削力呈减小趋势，当切削速度达到 以上时，趋势更明显。本文通过总结实际 刀具应用经验获得大量应用数据，并把应用过程中刀具崩刃的试刀数据与相关理论结合，对影响刀具崩刃的因素以及解决方向进行分类，从被加工材料和刀具材料匹配性、刀片参数、切削参数以及切削温度等方面提出了解决崩刃的基本思路。年第 卷?刀具崩刃原因和机理 刀具材料是用立方氮化硼微粉和结合剂在高温超高压条件下烧结而成，结合剂相均匀分散在立方氮化硼微颗粒间，因此 刀具材料是典型的陶瓷烧结体材料，符合陶瓷材料的特性和理论模型。图 为 刀片微观结构，其中灰黑色颗粒为立方氮化硼微粉颗粒，白色和灰白色区域为结合剂。图 刀片微观结构理想的 材料是结合剂均匀分散在立方氮化硼原始颗粒间，但是实际生产中很难达到这种均匀程度，存在局部结合剂团聚或者原始颗粒二次烧结形成的团聚体，因此实际微观结构是结合剂相对均匀地分布在原始颗粒和团聚体之间。这些团聚体和结合剂堆积区域的颗粒间结合强度相对较低，切削过程中最先脱落，造成此处切削力比其他区域大。此区域的立方氮化硼颗粒在较大切削力下加速脱落，随着脱落加剧，切削力进一步增加，造成微小块状脱落（微崩刃）情况（见图 ），随着微崩刃加剧，切削力加速增加，从而造成更大崩刃，引起刀具失效（见图 ）。图 微崩刃刀片图 刀尖断裂刀片立方氮化硼颗粒硬度远大于被加工材料硬度，因此切削中的物理磨损很微弱，刀片磨损的主要根源是以微崩刃的方式累加形成的，当崩刃加剧，切削力急剧增大，超过刀尖受力极限时，就会以宏观崩刃方式呈现。分析可知，刀具崩刃是因为微崩刃累积放大造成，微崩刃是因为切削力超过了刀尖受力极限造成的，据此有两个途径减少微崩刃，分别为降低切削力和提高刀尖受力极限。其中，刀片材料牌号、刀片参数（圆弧、倒棱、钝化）和刀杆参数等均会影响刀尖受力极限，确定这几个参数即可确定刀尖的受力极限。切削力的大小受被加工材料牌号、切削参数（切削速度、切削深度和进给量）、切削温度（切屑剥离时的温度）、刀片参数等因素影响。切削参数和刀片参数同时影响切削力大小和刀尖受力极限，因此改变这类参数，需要衡量两者的权重并找到平衡点。通过切削实验探讨刀片参数和切削参数对切削力和刀尖受力极限的影响权重和影响趋势，进而指导实际应用。?实验方案实验采 用 郑 州 博 特 刀 片，材 料 牌 号 ，刀片型号 ，加工 钢淬火后的工件圆棒，硬度 ，采用连续加工。车削过程中采用测力仪监测切削力和红外热成像仪测量温度场分布。切削实验测试切削力变化对崩刃的影响，刀片刀尖圆弧半径 ，倒棱宽度 ，倒棱角度 ，钝化值 ，固定切削深度 ，进给量 。通过改变切削速度改变切削力，切削速度选择 ，。以刀尖产生非正常崩刃时的切削路程评判切削力对崩刃的影响，切削过程用测力仪监测切削力，切削实验参数见表 。表 切削实验参数刀尖圆弧（）倒棱宽度（）倒棱角度（）实验不同刃口强度对崩刃的影响，固定切削速度 ，切削深度 ，进给量 ，改变刃口进行切削实验，记录非正常崩刃的切削路程，监测切削力。分析刀尖圆弧、倒棱宽度和倒棱角度对崩刃的影响权重。探讨切削参数和刀片参数对切削力的影响，切工 具 技 术书书书削三要素对切削力影响的敏感程度以及刀片参数对切削力影响的敏感程度进行分析，并研究了切削力随这几个参数变化趋势。研究切削参数对切削温度的影响规律，固定刀片参数（刀尖圆弧 ，刃口倒棱宽度 ，倒棱角度 ，钝化值 ），研究切削速度、切削深度和进给量对切削温度的影响。?实验结果与分析?切削力变化对崩刃的影响表 为切削力变化对加工路程的影响，采用刀片型号为 ，固定切削参数 ，。改变切削速度后的切削力和切削路程数据。切削力和切削路径随切削速度的变化规律见图 。表 切削力变化对加工路程的影响切削速度（）切削力（）切削路程（）图 切削力和切削路程随切削速度变化分析表 和图 可知，切削力随切削速度先增加后减小，在切削速度为 和 时，切削力变化趋势较大；切削速度超过 时，切削力下降并趋于平缓。切削速度较低时，切削温度不足以改变工件材料性能，需克服较大抗力才能将切屑剥离，并且易形成积屑瘤。临界切削速度内进一步增大切削力，温度增加，积屑瘤积累更多，同刀具黏附力增强，增加了切屑摩擦阻力，因此切削力呈增大趋势。当切削速度超过临界值时，刀尖温度急剧增加，工件材料硬度和强度降低，切削抗力减小，积屑瘤在高温下软化被切屑带走，减小了摩檫力，因此切削力减小。随着速度进一步提高，切削温度提高有限，达到平衡，切削力减小趋于平缓，这一点和孙春华等 的研究吻合，并与 等 研究高速切削得出切削速度达到 以上时切削力减小趋势明显相符。切削路程和切削力的变化趋势相反，切削力减小，切削路程增加，即切削力减小可以缓解刀尖崩刃进程。但在切削速度为 时切削路程下降，测试刀片刀尖发生崩刃而提前失效。原因可能是因为高速切削时机床刚性和装夹刚性不足，切削过程产生振动，加快刀尖微崩刃，最终使刀尖突然崩刃而失效。?刀尖受力极限对崩刃的影响表 为刀片参数对切削力和切削路程的影响。改变刀尖圆弧、倒棱宽度和倒棱角度三个刀片参数，测试切削过程中切削力变化，记录切削路程，用切削路程反应刀片崩刃情况。切削路程短，说明刀片崩刃块，刃口强度低，反之亦然。表 可以计算刀片参数对崩刃的影响，也可计算刀片参数对切削力的影响。表 刀片参数对切削力和切削路程的影响因素编号刀尖圆弧（）倒棱宽度（）倒棱角度（）切削力（）切削路程（）设 为表 中不同刀片参数所对应的切削路程数据的算数平均值，表示极差，以刀尖圆弧为指标的极差表达式，有 同理可得以倒棱宽度为指标的极差，；以倒棱角度为指标的极差，。由上述结果可知，极差从大到小依次是刀尖圆弧、倒棱角度、倒棱宽度。在考虑某参数时，极差分析认为其它参数对结果的影响均衡，某参数各水平的差异是由该参数所引起。极差各不相同，是因为某一项参数的改变对结果的影响不同，极差越小，该参数对于实验的影响越小。结果表明，刀尖圆弧对崩刃的影响最大，其次为倒棱角度，倒棱宽度对崩刃造成影响最小。实际应用中，发生崩刃需首要考虑刀尖圆弧是否选择过小，先增大刀尖圆弧以增加刀 年第 卷 尖受力极限。刀尖圆弧改变受条件限制时，优先考虑倒棱角度，其对刀尖受力极限作用比倒棱宽度更明显。由表 可以得出，实际应用中，并不能仅考虑减小切削力，还要考虑刀尖受力极限能否抵抗切削时的切削力，如表 中 虽然切削力小，但是切削路程最短，因为试验后刀尖整体崩断，说明刀尖强度不足以支撑切削力，造成刀尖崩断。?各因素对切削力的影响 刀片参数对切削力的影响因素根据表 数据计算，以刀尖圆弧为指标的极差，；以倒棱宽度为指标的极差，；以倒棱角度为指标的极差，。分析极差得出，刀尖圆弧对切削力的影响最大，其次为倒棱角度，倒棱宽度对切削力造成影响最小。切削中切削力随刀片参数变化由图 可知，切削力随刀尖圆弧增大而增加。刀尖圆弧从 增加到 ，切削力增加 ，刀尖圆弧从 增加到 ，切削力增加 。通过力学分析可知，其他条件不变时，刀尖圆弧增大，刀尖和工件接触面积增大，金属去除量增多，使得切削力增大。同时刀尖圆弧增大，刀尖受力极限增大，单位面积上的切削力减小，所以刀片崩刃几率减小，表 为相关的实验验证。图 切削力随刀片参数变化曲线表 不同刀片参数的切削力变化编号刀尖圆弧（）倒棱宽度（）倒棱角度（）切削力（）固定切削参数 ，改变刀尖圆弧、倒棱宽度、倒棱角度三个刀片参数，测试切削过程中切削力变化。表 中结论与董丙闯等 研究较一致，随着刀尖圆弧半径增大，切削力总体呈上升趋势，且刀尖圆弧半径对切深抗力的影响比对主切削力的影响明显。增加倒棱宽度，切削力呈缓慢的线性增长趋势。倒棱宽度从 增加到 ，切削力增加。倒棱宽度从 增加到 ，切削力增加 。增加倒棱宽度，增加了切屑和前刀面接触面，因此增加了切削力。增加倒棱宽度，切削力随之小幅度增大，但对刃口强度增加有限。实际应用时，需要权衡两者的影响因数。切削力随倒棱角度增大先减小后增大，倒棱角度从 增加到 ，切削力减少 ，倒棱角度从 增加到 ，切削力增加 。这点和任帅民等 的研究结果不太一致。原因是切削力是刀尖圆弧、倒棱宽度和角度综合力学效果，存在三者的最优组合，在合适的倒棱角度时切削力会减小。综上所述，刀尖圆弧、倒棱宽度增加都会使切削力增大，倒棱角度增加切削力先减小再增加，且各自对切削力影响不同，刀尖圆弧影响最大，其次是倒棱角度，最小的是倒棱宽度。刀片参数之间存在一个最佳组合，在某个合适的刀尖圆弧和倒棱宽度组合下，切削力对倒棱角度增加有一个极小值。在实际应用中，最佳组合既可增强刀尖受力极限，又可以降低切削力，进而提到刀片寿命。切削参数对切削力的影响（）切削参数对切削力的影响因素刀片参数不变，采用不同切削参数组合测试切削力变化，计算各切削参数的极差，表 为切削参数对切削力的影响因素。表 切削参数对切削力的影响因素实验编号进给量（）切削速度（）切削深度（）切削力（）计算以进给量为指标的极差为 工 具 技 术同理可得，以切削深度为指标的极差 ；以切削速度为指标的极差 。上述结果表明，进给量对切削力的影响最大，其次为切削深度，对切削力影响最小的是切削速度。（）切削力随切削参数变化趋势切削过程中，切削力随切削参数变化的测试数据见表 。采用同样的刀片参数，在不同切削参数下进行切削实验，测量切削力的数值，从而分析切削力随切削参数变化趋势（见图 ）。表 不同切削参数下切削力数值实验编号进给量（）切削速度（）背吃刀量（）切削力（）图 切削力随各切削参数变化趋势由图 可知，切削力随切削速度提高而降低，并呈现非线性变化，随着切削速度提高，降幅增大；切削力随进给量增加而增加，几乎呈线性变化；切削力随切削深度增加而增大，呈非线性变化，切削力随切削深度增加其增幅减弱。因此在机床功率和刚性允许的前提下，提高切削速度是降低切削力的最佳方法，同时还提高了加工效率。在切削速度无法增加的情况下，降低进给量和切削深度会牺牲加工效率。?切削参数对切削温度的影响切削热主要来自被加工材料高应变率变形以及刀具和工件之间的摩擦，切削热和切削温度是影响高速高效切削过程中刀具磨损、工件表面质量和加工精度的关键因素。由表 和图 可知，切削温度随切削速度增大而增加，且在较低速时增加幅度较大，到达一定临界速度后，切削力增加幅度减小。孙春华等 在研究中也得到此结论：通过模拟发现，在某个临界切削速度前，切削温度随切削速度快速增高，超过临界速度，切削温度随切削速度变化缓慢，加工工件表面温度、刀尖处切削温度以及切屑温度三者的最高值随切削速度变化基本保持不变。说明高速切削时，切削速度变化对工件表面质量和刀具使用寿命影响有限。表 切削参数对切削温度的影响编号切削速度（）切削深度（）进给量（）切削温度（）图 切削参数对切削温度的影响曲线切削温度随切削深度增加呈现线性增加的趋势。切削深度增加，切屑和刀尖接触面增大，摩擦产生的热量增加，同时金属去除量增大，切屑塑性变形滑移产生的能量增加，因此切削温度随之增加。切削温度随进给量增大而增加，呈现近似线性变化，但变化幅度较切削深度大，平均增幅为 。等 通过研究发现，切削温度随着进给量和切削速度的增大而增大，当进给量从 增至 时，切削温度增大约 ，其结论和本研究接近。切削理论分析认为，进给量增大，切屑厚度变大，一定时间内金属去除量增多，年第 卷 切削热急剧增多上升。?结语（）刀具切削时，切削力减小可缓解崩刃进程，切削力随切削速度增加有拐点，切削速度达到临界值以上时，刀具的优势才能得到更好发挥。（）对刀尖受力极限影响最大的是刀尖圆弧，其次是倒棱角度，最小是倒棱宽度。实际应用中发现，防止崩刃首要考虑增大刀尖圆弧，以提高刀尖受力极限，其次是倒棱角度和宽度。需注意，增加刃口强度会同时增大切削力，因此实际中应两利相权取其重，只要保证刀尖受力极限大于切削力就可以延长刀具寿命。研究还发现，刀片参数间存在最佳组合使切削力随倒棱角度变化出现极小值，可以实现刀尖受力极限和切削力的统一，提高刀片寿命。（）在切削速度达到临界后，切削力随切削速度快速下降并逐渐趋于平缓，切削力随切削深度和进给量增大而增加。实际应用中，在刚性允许范围内，应尽可能提高切削速度，充分利用 刀尖的红硬性和高温强度实现高速高效加工，可以大幅提高刀具寿命。（）提高切削温度有利于改善 刀具寿命，因高温可软化工件材料，大幅降低切削力。而 刀具的化学惰性和低摩擦系数保证其与工件较低的化学黏附磨损。参考文献 刘书锋，钟鹏鸣，聂建军 整体 刀具在高速铣削发动机缸体中的应用 工具技术，（）：刘书锋，李启泉 加工烧结合金和铸铁的整体 刀具的研制 工具技术，（）：任帅民，李?，张弘，等 刀具断续切削淬火钢时负倒棱角度对其切削性能的影响 工具技术，（）：叶铮 刀具负倒棱对其硬态切削性能研究 合肥：合肥工业大学，胡艳艳，贾树岷，汪木兰，等 基于有限元分析的高速切削温度场建模与仿真 系统仿真学报，（）：，（）：咸成吉，朴成道，尹凤哲 刀具前后角对切削力和切削温度的影响 延边大学学报（自然科学版），（）：，：孙春华，尚广庆 高速切削温度动态变化规律的数值模拟 工具技术，（）：董丙闯 淬硬钢高速切削有限元分析及刀具参数研究 昆明：昆明理工大学，（）：第一作者：靳月红，工程师，郑州博特硬质材料有限公司，郑州市 ：，工 具 技 术