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第一章 绪论

1.1 研究背景

在切削工件时，刀具切下切屑,自身也会发生损坏。切削刃由于自身所处的位置的特殊性,往往会成为刀具上最容易损坏的部位。刀刃发生磨损或者破损,不仅仅会严重的影响到零件的尺寸加工精度,也会影响已零件表面的加工质量, 还会对车床造成一定程度的损坏。切削加工的生产率的阻碍主要是刀具寿命，为了提高刀具寿命，很多人对此进行了实验研究，在史蒂文森和史蒂芬森的切削试验中，研究了不同进给率下的刀具温度以及应变率，蒙哥马利和阿尔滕塔什研究了动态铣削力，目前，国内外相对较少的研究已经完成，使我们对这些刀具的切屑形成机理，刀刃的几何形状对切削参数的影响得到更好的理解。但在以前的研究中, 研究人员们为了研究方便,常常将刀尖的形状抽象成理想锋利的。可是在实际切削过程中,刀刃在切削力、切削温度和各种化学作用下很快就会发生磨损,所以理想锋利的刀尖是并不存在的。

本论文，选取了“基于有限元分析的刀具刃形优化”这个课题进行研究，这对于我们改进优化刀具刃形，提高工具寿命，提高零件表面加工质量，提高生产率具有很重要的意义。

1.2 刀具磨损形式

刀具磨损在切削加工过程中是不可避免的现象，刀具磨损过快或发生非正常磨损（即破损），必然会影响零件表面的加工质量，使刀具消耗加快，使生产效率降低，带来了很多不必要的加工花费。

理论上，影响刀具切削性能的主要因素有：刀具几何参数(前角，后角，主副偏角，刃口圆弧半径等等)、刀具材质、切削用量、工件材质及其机械性能等等。这些因素中工件材质属于不能控制的因素，改变其它因素的属性可控制刀具的磨损形式及磨损率，例如可通过改变工件材料的热处理状态来改变工件材料的机械性能，从而对刀具的磨损进行影响；另一方面，合理的刀具材料的选择和刀具几何参数变更也可改善刀具磨损效率；生产上面一般还可以通过切削用量的合理选择来减少刀具磨损率，从而提高刀具的使用寿命。

刀具的失效形式可分为正常磨损和非正常磨损两大类：正常磨损是在切削过程中，刀具切削刃、前刀面、后刀面分别与加工表面、切屑和已加工表面接触，在接触区里受切削力和切削热的耦合作用，并发生强烈的摩擦产生的，切削刃、前刀面和后刀面都会发生磨损。正常磨损时，刀具的磨损量随切削时间增长而均匀地增加。刀具的前期破坏或使用过程中的剥落、卷刃、突然崩刃或刀片的整个破裂都称之为不正常磨损。

正常磨损主要是由以下原因造成的：①磨料磨损，切表面的灰尘或工件存在硬点（如碳化物颗粒和建立起来的边缘片段）在工具表面（前刀面和后刀面）上造成磨损。低速切削，磨损原因不明显，高速切削，磨料磨损是刀具磨损的主要原因；②粘着磨损，切削工件材料沿刀具前刀面运动，切削工具上的氧化层和其他吸附膜表面的破坏，特别是由工件材料内部所造成的磨损。切削速度和粘着磨损之间也存在着复杂的关系，粘着磨损主要发生在一般中等切削速度范围内，刀具材料和工件之间的作用力，刀具材料和工件材料以及刀具材料的硬度比都对黏着磨损率有影响；③扩散磨损，因为工件和刀具前刀面，在高温度，高压力较大的接触和化学活性，化学元素扩散到接触表面使他们相互改变对方，对材料的化学成分和结构造成影响，造成磨损的形成，扩散磨损和粘着磨损同时发生。由于每个元素的扩散速度是不同的，所以扩散磨损和刀具材料的成分有很大的关系的程度，除了这个，速度和温度的扩散磨损也有很大的关系，温度越高，扩散速度快，所以扩散磨损主要发生在高速切削速度范围。这就是为什么刀具的磨损是非常复杂的，涉及机械，热，化学，物理和其他因素的影响，在不同的工件材料，刀具材料和切削条件下，磨损和磨损程度的原因是不同的，对于一个给定的工件材料、刀具材料，切削温度对刀具磨损的决定性影响。