加強刀具技術研究 提高制造業(yè)競爭力
——訪國家杰出青年科學基金獲得者，山東大學機械工程學院教授劉戰(zhàn)強

本刊記者 玲 犀

：您長期從事高速切削加工理論（特別是切屑形成機理）、刀具磨損、銑削穩(wěn)定性、加工表面完整性等方面的研究，請介紹下您在這幾方面開展了哪些創(chuàng)新性研究？取得了哪些研究成果？

劉戰(zhàn)強：與普通切削加工技術相比，高速切削加工在切屑形成機理、刀具磨損、切削加工穩(wěn)定性及加工表面完整性等方面均存在顯著差別。加工塑性金屬材料時，隨切削速度提高，切屑形態(tài)由連續(xù)帶狀轉變?yōu)殇忼X狀乃至碎斷狀，切屑形態(tài)對刀具壽命和加工表面質(zhì)量具有重要影響，研究切屑形成過程的力學控制機制及其與切削條件之間的關系至關重要。課題組在研究過程中依據(jù)自己發(fā)明的超高線速度獲取方法和高速切削條件下切屑根部獲取方法，結合力學、能量學及材料學分析，提出了絕熱剪切-韌性斷裂復合型鋸齒狀切屑形成模型，揭示了切屑變形規(guī)律和集中剪切帶的啟動與擴展路徑。建立了高速切削切屑鋸齒化力學條件，提出了切屑鋸齒化臨界切削速度預測模型；揭示了超高速切削過程中塑性金屬材料熱-力耦合作用下的塑脆轉化機制，發(fā)現(xiàn)了超高速加工的材料去除本質(zhì)為脆性斷裂，得出了超高速切削的臨界切削速度判據(jù)。

在刀具磨損機理方面，將熱力學熵的概念引入高速切削刀具磨損研究，提出了基于熱力學熵的切削加工刀具磨損研究方法，揭示了涂層材料導溫系數(shù)和導熱系數(shù)對刀具涂層的熱障作用機理，為刀具材料設計和涂層選材提供了方向指導；針對高速切削過程中應用普遍的涂層刀具提出了刀具瞬態(tài)切削溫度解析算法，揭示了涂層對刀具切削熱和切削溫度的影響規(guī)律。

在切削加工穩(wěn)定性方面，提出了高速銑削多維穩(wěn)定性研究方法，建立了時變?nèi)鮿傂约咚巽娤魅S穩(wěn)定性模型，揭示了幾何參數(shù)、銑削工藝參數(shù)等多因素對切削穩(wěn)定性的影響規(guī)律；建立了穩(wěn)定切削條件下的材料最大去除率模型，提出了穩(wěn)定銑削條件下切削參數(shù)的調(diào)控方法，獲得了無顫振條件下的最大材料去除率，實現(xiàn)了高效率下的高精度加工。

在加工表面完整性方面，揭示了相變和塑性變形耦合作用高速切削加工表面完整性的形成機理，通過工藝調(diào)控改善了加工表面完整性，揭示了微/納切削加工表面完整性表征參數(shù)的分布規(guī)律。以加工零件服役性能（包括疲勞壽命、表面耐腐蝕性、醫(yī)用器件生物相容性等）為驅(qū)動，建立了加工表面完整性與零件服役性能之間的映射關系，可實現(xiàn)零件長服役壽命的高表面完整性加工。

：切屑形態(tài)對切削過程中的排屑、刀具磨損、工件已加工表面質(zhì)量等具有重要的影響，請問影響切屑形態(tài)的主要因素有哪些？該如何控制這些因素來改善切屑形態(tài)？

劉戰(zhàn)強：高速切削過程中對切屑形態(tài)的影響因素主要包括工件材料微觀組織與力學性能、切削速度等。我們通過研究發(fā)現(xiàn)，隨切削速度提高，切屑形態(tài)由帶狀演化為鋸齒狀直至碎斷狀，因鋸齒狀及碎斷切屑有利于斷屑而益于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。超高速切削條件下碎斷切屑形成時材料幾乎不發(fā)生塑性變形，切削區(qū)域溫升小，刀具所受熱沖擊影響小而利于減緩磨損。但是碎斷切屑的形成條件是超高切削速度下工件材料經(jīng)由塑脆轉變而被脆性斷裂去除，切屑脆性斷裂過程中容易在加工表面殘留脆性裂紋和凹坑等缺陷。而鋸齒狀切屑形成時加工表面發(fā)生塑性變形而具有良好的表面加工質(zhì)量和高表面完整性。因此，為充分發(fā)揮高速/超高速切削的高效率、高精度和高質(zhì)量優(yōu)勢，可制定粗加工與半精加工過程采用超高速切削，而精加工過程采用高速切削的復合加工工藝。兼顧其他切削因素影響，隨切削深度或背吃刀量增大、隨刀具前角減小時，有利于鋸齒狀切屑與碎斷切屑的形成，在保證切削加工系統(tǒng)具有足夠的剛度和加工表面質(zhì)量滿足需求時，可采用大切削用量與小前角刀具。當然，對于復雜的切削加工過程而言，除了需要考慮刀具壽命和加工表面質(zhì)量外，還需考慮切削力、切削溫度及切削能量消耗等因素。

： 在未來超高速切削領域的研究中，切屑形態(tài)以及切屑形成涉及的材料動態(tài)力學性能和物質(zhì)結構變化仍將是研究熱點和難點，您將在這些方面開展哪些研究？

劉戰(zhàn)強：相關研究擬從3方面展開：一是搭建與超高速切削載荷相同或相似的力學性能試驗平臺，測試材料在超高應變率下的變形與失效行為，同時結合試驗力學技術實時捕獲材料變形與失效行為；二是利用透射電子顯微鏡和背散射電子衍射等顯微觀察技術分析超高速切削已加工表面和切屑微觀組織結構，建立超高速切削載荷與對應材料微觀結構之間的映射關系；三是進一步發(fā)展有限元方法和其他一些數(shù)值計算方法，使之能夠模擬出超高速切削切屑的形成及內(nèi)部組織演化過程，以輔助研究者“事先”預知材料在超高速切削過程中的動態(tài)力學行為。

： 隨著切削加工過程監(jiān)測技術的發(fā)展，智能刀具成為研究的熱點，是未來刀具的發(fā)展方向。您在智能刀具技術方面做了哪些研究？還需突破哪些關鍵技術？

劉戰(zhàn)強：課題組在智能刀具技術方面的研究主要包括無線測溫智能刀具、基于涂層熱電效應的實時溫度監(jiān)測刀具、減振刀具、無線射頻識別智能刀具等。

銑削過程中，銑削刀片隨主軸旋轉，有線接觸式熱電偶測溫方法已不再適用，非接觸式測量方法對加工過程中的刀具內(nèi)部溫度的測量很難實現(xiàn)。因此研制了熱電偶無線測溫智能刀具，通過無線收發(fā)裝置及熱電偶測量旋轉刀具溫度，實現(xiàn)了溫度信號實時監(jiān)控?；谕繉訜犭娦膶崟r溫度監(jiān)測是在切削刀具基體材料上制備涂層，利用刀具材料與涂層材料之間形成的熱電偶測試切削刀具不同位置的瞬態(tài)溫度，發(fā)明的該智能刀具利用刀具自身作為傳感器，結構簡單且不受切削液等介質(zhì)的影響。約束阻尼減振刀具，針對長懸伸弱剛性鏜刀、銑刀、車刀等而設計，通過高阻尼刀桿材料優(yōu)選及結構優(yōu)化設計使切削振動的抑制不再成為難題。無線射頻識別刀具是通過無線射頻識別技術實現(xiàn)工廠內(nèi)不同刀具的自動識別、實時庫存盤點、工具實時追蹤、到期提醒等功能，可實現(xiàn)對產(chǎn)品制造全過程中刀具狀態(tài)的監(jiān)控。

研究智能刀具涉及多學科交叉研究，需要建立在大量制造經(jīng)驗和試驗驗證的基礎上。智能刀具研究需要突破的關鍵技術主要在于傳感器測試性能的提高，傳感器與旋轉刀具的集成，無線傳感器的引入及傳感器的小型化、快速響應、嵌入式、多傳感器數(shù)據(jù)融合等將是未來智能刀具的主要發(fā)展方向。