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新型陶瓷材料因具有高硬度高耐磨性高耐熱性高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性能而在耐磨零部件切削刀具等領(lǐng)域得到了日趨廣泛的應(yīng)用。陶瓷刀具的應(yīng)用使切削速度從每秒幾十米提高到每秒幾百米，大大提高了切削效率極大促進(jìn)了現(xiàn)代切削技術(shù)的進(jìn)步。近年來，世界各國競(jìng)相投入大量資金和人力進(jìn)行新型陶瓷刀具材料的研究開發(fā)，并不斷有各種類型牌號(hào)的新型陶瓷刀具問世。
雖然陶瓷刀具具有相當(dāng)不錯(cuò)的發(fā)展前景，但目前在切削加工中的推廣應(yīng)用仍受到定限制，其主要原因在于陶瓷材料固有的脆性大韌性差抗破損能力差等負(fù)面特性尚難根本改善，造成陶瓷刀具在實(shí)際切削加工中可靠性較低。刀具在切削過程中要承受高溫高壓下的切削載荷作用以及因工件材料組織結(jié)構(gòu)幾何尺寸不均勻和機(jī)床振動(dòng)等原因引起現(xiàn)至關(guān)重要。另方面，現(xiàn)代切削技術(shù)的基本發(fā)展方向是高速化全自動(dòng)化加工，為了減少換刀次數(shù)，提高切削效率，保證工件加工質(zhì)量和機(jī)床設(shè)備的安全運(yùn)行，要求整個(gè)切削過程必須十分可靠，由此對(duì)刀具可靠性也提出了更高要求。陶瓷材料及刀具的可詔性已成為陶瓷刀兒發(fā)展及應(yīng)的關(guān)鍵制約人索，目前各國學(xué)者對(duì)此問十分重視開展了廣泛研究，提出了多種理論及方法，取得了不少成果。
2可靠性研究的般理論可靠性通常是指構(gòu)件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下完成規(guī)定工作的能力3.可靠性的高低可用可靠度及來，尺為01之間的實(shí)數(shù)，其值越大，可靠性越高。疲勞可靠性問是可靠性研究的重要組成部分。應(yīng)力強(qiáng)度干涉理論是可靠性研究的基礎(chǔ)理論之3，其基本模型為設(shè)，為疲勞應(yīng)力，為材料的疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力的概率密度數(shù)為。，給定壽命時(shí)的疲勞強(qiáng)度概率密度函數(shù)為，則相應(yīng)的可設(shè)1為由式1可看出，構(gòu)件在具體工況下的可靠度主要由兩方面因素決定是材料本身的性質(zhì)，雖然材料的組織在宏觀上是均，的，但在微觀上因工藝因素等原因則是非均勻的，因而存在強(qiáng)度的概率分布；是構(gòu)件所承受的夕加載荷，因構(gòu)件的尺寸形狀或安裝等差異造成的同批構(gòu)件在相同恒幅載荷作用下產(chǎn)十的應(yīng)力分散性稱為疲勞應(yīng)力的橫向統(tǒng)計(jì)分布，該分布的可靠度可用上述應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型進(jìn)行計(jì)算。另方面，對(duì)于確定的構(gòu)件，由于存在各種隨機(jī)因素，疲勞應(yīng)力在時(shí)間域上也可得到個(gè)統(tǒng)計(jì)分布，稱為疲勞叫力的縱向統(tǒng)計(jì)分1.此時(shí)疲勞岢命的計(jì)算則需采用疲勞累積損傷理論。目前廣泛使用的疲勞累積損傷理論仍為線性累積損傷理論，艮口161.定理，莊實(shí)際應(yīng)用中，橫向和縱向統(tǒng)計(jì)分布樸往同時(shí)存在。基于此，胡俏等人提出了胃定理干涉模型綜合法4.張鳳和等人指出，在低高周應(yīng)力作用時(shí)，河1定理不再適用3.曾珊等人利用斷裂力學(xué)疲勞和可靠性分析方法研究了疲勞過程中的剩余強(qiáng)度，得到了失效概率剩余強(qiáng)度疲勞應(yīng)力循環(huán)壽命曲線尺30，具有較普遍3陶瓷材料可靠性評(píng)價(jià)方法國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)59805012收穡42脫，3謝10，16瓜了0也6故以實(shí)踐證明，應(yīng)力強(qiáng)度干涉理論較適合應(yīng)用于金屬材料是在外加載荷作用下產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)超過其屈服極限后，*終導(dǎo)致破壞失效。由于陶瓷材料脆性大韌性差，破壞前般不會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，其破壞形式多現(xiàn)為疲勞裂紋的不斷萌生及擴(kuò)展。*終導(dǎo)致斷裂火效因此，陶瓷材料的斷教破壞需要采用其它理論來加以描述。由于裂紋擴(kuò)展問難，因此利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究是較為可行的選擇。
目前，*弱環(huán)節(jié)理論在研究中應(yīng)用*為普遍。*弱環(huán)節(jié)理論假定構(gòu)件由系列體積單元組成，構(gòu)件的破壞由*危險(xiǎn)的體積單元決定，即構(gòu)件的斷裂起源尹構(gòu)件中*危險(xiǎn)裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于材料的斷裂韌性時(shí)，材料產(chǎn)生斷裂失效，而與裂紋擴(kuò)展路徑中其它單元的強(qiáng)度無關(guān)。*弱環(huán)節(jié)理論中主要包括威布爾賈4方法巴多夫831如方法和多軸單元強(qiáng)度模型方法等。
由于陶瓷材料內(nèi)部存在隨機(jī)分布的缺陷，導(dǎo)致不同單元的強(qiáng)度各不相同，因此存在強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布問。當(dāng)構(gòu)件承受某應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，某局部單元的應(yīng)力可能超過其強(qiáng)度，從而導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件的破壞，其累枳失效概率可不嚴(yán)CIu*小強(qiáng)度位置參數(shù)x代積分面積或積分體積廠，視具體耍求而定應(yīng)力狀態(tài)，則需對(duì)公式進(jìn)行修正。修正時(shí)，只有正應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域才計(jì)入積分1.應(yīng)用威市爾方法可計(jì)算幾何形狀和受力狀態(tài)均較簡(jiǎn)單的零部件的可靠性問，并可取得較滿意的計(jì)算結(jié)果，但威布爾方法存在以1+足未對(duì)引起斷裂的缺陷進(jìn)行物理描述，更未從力學(xué)觀點(diǎn)分析裂紋的擴(kuò)展過程，因此該方法只是種純粹統(tǒng)卟方法，缺乏物理基礎(chǔ)，難以從根木解決可靠性預(yù)測(cè)問。
不能用單軸應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果來預(yù)測(cè)多軸應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的可靠性。由于應(yīng)用于工程的陶瓷構(gòu)件大多具有復(fù)雜幾何形狀，其受力狀態(tài)明顯比點(diǎn)或點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，因此試驗(yàn)測(cè)定切削狀態(tài)下刀具體的可靠性計(jì)算問，由于刀具受機(jī)械載荷和熱載荷的共同作用，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算較復(fù)雜，般只能采用有限元法計(jì)算，且很難計(jì)算拉應(yīng)力區(qū)威布爾方法假定在多軸應(yīng)力下各主應(yīng)力在各自方向上單獨(dú)發(fā)生作用，不考慮它們的聯(lián)合作用，且忽略了剪應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用，因此在某些情況下可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)。
12巴多夫方法巴多夫方法的失效概率可不為81 VarI.描述裂紋尺寸和形狀的分布函數(shù)CT臨界應(yīng)力n立體角，與選用的斷裂準(zhǔn)則裂紋形成機(jī)制及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，在單軸和等雙軸應(yīng)力狀態(tài)下有解析解在通常的維應(yīng)力狀態(tài)下則只能用數(shù)值形式小巴多夫方法能解釋測(cè)試陶瓷材料強(qiáng)度時(shí)的尺寸效應(yīng)，對(duì)于點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值較為相符。該方法在本質(zhì)上有較堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，但其數(shù)學(xué)處理較復(fù)雜，使其應(yīng)用受到定限制。
3.3多軸單元強(qiáng)度模型方法多軸單元強(qiáng)度模型方法的失效概率可為191 g.s區(qū)間心內(nèi)的缺陷數(shù)，用于描述材料缺陷的分布該模型建立在非共面應(yīng)變能釋放率的失效準(zhǔn)則上13，考慮了應(yīng)力分量之間的聯(lián)合作用，同時(shí)考慮了壓應(yīng)力作用，因而能處理多軸斷裂。處理嘆軸問時(shí)砧度很高。
4陶瓷刀具可靠性評(píng)價(jià)參數(shù)切削刀具的可靠性是指在規(guī)定的切削加工條件下和規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成規(guī)定的金屬切削任務(wù)的能力。在傳統(tǒng)加工條件下，人們往往較多關(guān)心刀具知，在達(dá)到壽命平均值之前，己經(jīng)有半刀具失效。
這在對(duì)刀具可靠性要求極高的現(xiàn)代化自動(dòng)加工中是不允許的。造成刀具壽命變化的因素較多，主要包括工件和刀具村料的冶金組織變化件兒何尺寸結(jié)，拓，碰胗睡腧筧釣趾鄧因蒸局液及其它環(huán)境因襲的說響等，如前所述，構(gòu)件的可靠性可用可靠度及，其大小直接反映可靠性高低。但在通常情況下，由于缺乏必要的數(shù)據(jù)，可靠度的計(jì)算較為困難，尤其對(duì)于切削刀具，其應(yīng)力狀態(tài)更難計(jì)算，因此只能采用其它較易獲得的參數(shù)對(duì)可靠性進(jìn)行間接衡量。目前，評(píng)價(jià)陶瓷刀具可靠性的參數(shù)主要有6，模量形狀參數(shù)刀具變異化系數(shù)陶瓷材料界面結(jié)合強(qiáng)度等。
大1實(shí)驗(yàn)明，陶瓷材料的強(qiáng)度硬度和斷裂韌性均服從數(shù)如分布，陶瓷刀具的破損失效也服從分布。由，切說分1的形狀參數(shù)反映了材料的缺陷分布，而材料缺陷分布又。其4靠性密切相關(guān)，因此可用模量來衡量材料的可靠性，其值越大。明數(shù)據(jù)的致性越好，其可靠性也越高。實(shí)驗(yàn)明12，材料點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的賈61模量與相同刀具材料的失效分布1山模量大致相等因此可用彎曲實(shí)驗(yàn)的模量來代替刀具的失效模量，從而可預(yù)測(cè)刀具切削過程的可靠性。該方法未考慮材料的微觀失效機(jī)制，因此是種純統(tǒng)計(jì)方法。該方法對(duì)于每種材料都必須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，但由于方法簡(jiǎn)單，因此仍不失為種有效的方若以刀具壽命的數(shù)學(xué)期望值，0為其均方差。則刀具變異化系數(shù)=對(duì)于固定的實(shí)驗(yàn)條件，僅用均方差0即可衡量刀具壽命。但由廠刀具結(jié)構(gòu)工件材料和加工條件不同。其試驗(yàn)結(jié)果之叫不允許相互比較。而利用變異系數(shù)則可基本解決這問。般情況下，當(dāng)5時(shí)，可以認(rèn)為刀具不可靠；當(dāng)左2時(shí)，可以認(rèn)為刀具比較可靠；當(dāng)左=0.200.35時(shí)，則可以認(rèn)為刀具是可以接受im提出以材料的界而結(jié)合強(qiáng)度作為其可靠性判裾是種具有創(chuàng)新性的方該方法認(rèn)為材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。具有隨機(jī)性，而斷裂初性的隨機(jī)性又歸因于。，因此與材料的可靠性有直接關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)可建立材料破損次數(shù)與的關(guān)系式=.據(jù)此可以判斷刀4材料的潘性該方法還4根據(jù)1靠度要求對(duì)材料的配方進(jìn)廳反求設(shè)計(jì)，對(duì)材料設(shè)計(jì)有定指導(dǎo)價(jià)值。該方法的缺點(diǎn)是仍需通過大量實(shí)驗(yàn)來擬合與的關(guān)系，理論依5結(jié)語現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展對(duì)刀具可靠性提出了更高要求，陶泛叫韌竹較低，1.加工可靠性也相對(duì)較低。通常用于研究陶瓷材料可靠性的方法主要是以*弱環(huán)節(jié)理論為基礎(chǔ)的概率統(tǒng)計(jì)方法，由于此類方法缺乏定的物理力學(xué)基礎(chǔ)，因此難以從本質(zhì)上解決可靠性的計(jì)算問。同時(shí)，由于忽略了壓應(yīng)力及剪應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，所以此類方法只適用于應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單的構(gòu)件的可靠性計(jì)算對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜的構(gòu)件則可靠性預(yù)測(cè)精度較低。巴多夫方法和多軸單元強(qiáng)度模型方法雖然建立在較堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)之上，但其數(shù)，處1較為1秦進(jìn)節(jié)苫十能廣泛應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算。因此，目前對(duì)陶瓷刀具可靠性的評(píng)價(jià)般仍采用1必迎模量變異系數(shù)界面結(jié)合強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行間接衡量。由于此方法簡(jiǎn)單易行，因此得到了廣泛應(yīng)用。
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來源：中國刀具網(wǎng) 作者：[db:作者]
