面向钛合金切削的硬质合金涂层刀具切削热分配仿真研究.pdf

周光平，鲍善惠，程存弟，等 局部共振现象的理论解释 应用声学，（）：林仲茂 超声变幅杆的原理和设计 北京：科学出版社，曹凤国 超声加工 北京：化学工业出版社，申昊，蔡万宠，郁鼎文 两级阶梯形变幅杆设计及优化 振动与冲击，（）：第一作者：邹逢易，硕士研究生，贵州大学机械工程学院，贵阳市 ：，通信作者：杨绿，副教授，贵州大学机械工程学院，贵阳市 ：，基金项目：国家自然科学基金（）；江苏省自然科学基金（）；江苏省博士后科研资助计划（）收稿日期：年 月面向钛合金切削的硬质合金涂层刀具切削热分配仿真研究丁志恒，黄雷，王孝彩，袁军堂南京理工大学机械工程学院摘要：切削钛合金时会产生大量切削热，研究切削参数、涂层种类及厚度对硬质合金涂层刀具切削热分配的影响可以延长刀具使用寿命，提高加工效率。采用 软件对钛合金进行车削模拟，并结合切削热分配的解析法研究得出：切削热分配系数随着切削速度的增大呈上升趋势，且切削温度也随之升高；切削热分配系数随切削深度的增大却呈下降趋势，即流入切屑的热量降低，但切削温度依旧随着切削深度的增大而上升；对于不同的涂层材料，导热系数越低，切削热分配系数越大；涂层厚度对于切削热分配系数基本无影响，涂层厚度越大，切削温度越高。研究结果可以为选择刀具涂层种类和优化切削参数提供参考。关键词：钛合金；有限元；硬质合金涂层刀具；切削热分配系数；切削温度中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言钛合金材料具有比强度高、热强度高、导热系数小、耐腐蚀等优良特性 ，在航空航天领域中的应用范围不断扩大。在加工过程中，未涂层刀具摩擦系数大，切削热大量流入刀具基体，导致切削温度升高，磨损严重，不仅降低了刀具寿命，而且恶化了工件表面加工质量，因此未涂层刀具已经难以满足生产需要。近年来，切削钛合金的主流刀具变为 ，涂层刀具，研究发现，涂层刀具具有高硬度、耐磨性好、耐高温氧化、摩擦系数小等优点。相较于传统的未涂层刀具，涂层材料的摩擦系数较 年第 卷 低，可以有效降低切削力与切削温度，从而提高刀具的使用寿命。因此，探究涂层刀具切削热与切削温度的形成机理与变化规律，对于延长刀具使用寿命以及改善钛合金加工质量具有重要意义。针对未涂层刀具的有限元仿真研究已较为成熟，但对涂层刀具的研究仍不足。等 采用有限元仿真研究了切削速度对切削热分配的影响，发现流入刀具的热量随着切削速度的增大呈上升趋势；等 运用有限元方法对 涂层刀具前刀面温度进行分析，并用红外热像仪对仿真结果进行验证，发现测量温度与仿真计算温度能够较好地吻合；等 将 未涂层刀具与 涂层刀具切削 钢的仿真结果进行比较，发现未涂层刀具的切削最高温度与平均温度均高于涂层刀具。本文以 钛合金为加工对象，选用 硬质合金为刀具基体，通过 仿真软件对其车削过程展开模拟，基于不同的切削参数、涂层厚度和涂层种类研究涂层刀具切削热分配系数及切削温度的变化规律。?切削热的解析?切削热产生及分配如图 所示，切削热有三个来源，分别是切屑在切削力作用下发生剪切变形产生的热量、刀具前刀面与切屑摩擦产生的热量以及刀具后刀面与工件摩擦产生的热量。其中，的切削热流入切屑中，部分流入刀具中，少部分消耗在环境中 。图 切削热产生与分配模型?切削热与切削温度解析本文采用 等 提出的切削温度解析法，此方法基于以下几点假设：第、变形区的切削变形做功全部转化为热量；剪切面、刀屑摩擦接触面、刀工摩擦接触面热量均匀分布；没有热量传递到外界环境中；变形区热源为平面热源 。设，分别为剪切面、刀屑接触面以及刀工接触面单位时间单位面积产生的切削热，为剪切面热量流向切屑的比例，为刀屑接触面热量流向切屑的比例，为刀工接触面热量流向刀具的比例 ，切削热的分配见图 。?剪切面热量分配在剪切变形热源作用下，结合剪切面附近切屑的平均温度与剪切面的平均温度，可得剪切面热分配系数 为 槡（）式中，为工件材料热扩散率，其中，为工件材料导热系数，分别为工件材料的比热容 和 工 件 材 料 的 密 度；为 剪 应 变，（），分别为刀具前角与剪切角；为切削速度；为切削厚度。?刀屑接触面热量分配刀屑摩擦热源与涂层刀具相对静止，为固定热源。结合切屑底部平均温度与刀屑接触区平均温度可得前刀面切削热分配系数 为 珋 槡（）式中，为单位时间在前刀面单位面积上产生的热量；为切屑与刀具的接触长度；为前刀面处热源面积，为切削宽度；珋为剪切面的平均温度，珋 珋，为单位时间在剪切面单位面积上产生的热量；为工件初始温度；为刀具涂层材料导热系数；为切屑沿前刀面流出速度。采用 软件模拟切削过程，获得刀屑接触长度、切削分力等参数，并通过公式计算出涂层刀具切削热分配系数。?建立有限元模型?建立模型工件材料为 钛合金，刀具材料为 硬质合金，其材料特性参数如表 所示。基于 软件造型功能建立刀具及工件模型（见图 ）。刀具参数可通过数据库调取选用，也可通过用户自行输入。本文刀具的几何参数如表 所示。工 具 技 术表 工件及刀具材料特性参数 材料参数 硬质合金密度（）弹性模量（）泊松比 比热容（）热传导率（）热膨胀系数（）熔点（）图 刀具与工件的几何模型表 硬质合金刀具几何参数几何参数 刀具前角 刀具后角 刀片厚度圆角半径 内切圆直径数值 如图 所示，切削过程中工件固定不动，刀具沿工件做切削运动，切除的材料顺着前刀面流出，形成切屑。图 切削加工运动?材料本构模型由于材料的结构属性会随着仿真进程不断发生变化，即不同温度下材料的屈服极限、强度极限都会发生变化 ，需要一模型来描述切削过程中变应力的力学性质。常用的材料模型包括 模型、模型 等，在大应变大应力理论基础上，根据刀具与工件材料在力学实验中测得应变率下的应力应变关系，采用 模型，其本构方程为珚珚（珔，珔，）（）式中，珚为流体应力（）；珔为工件材料的等效塑性应变；珔为工件材料的等效塑性应变率；为加工过程中的温度（）。?仿真参数设置仿真初始参数设置为切削速度 ，切削深度 ，进给量 。由于刀具的寿命与涂层厚度存在密切关系：涂层太薄会导致涂层耐磨性能差，切削时不能较好地保护刀具基体；涂层太厚则易引起剥离 。目前，常用涂层刀具厚度为 ，以此为参考进行仿真。在研究切削参数对涂层刀具切削热分配影响规律时，以切削速度、切削深度、涂层厚度为变量进行车削实验设计，仿真方案如表 所示。在定义切削加工环境时，将空气环境温度设置为 ，冷却对流系数为 （），工件与刀具间的剪切摩擦系数为 ，工件与刀具间的热对流参数为 （）。表 正交仿真实验方案水平因素切削速度（）切削深度（）涂层厚度（）仿真主要是针对切削参数（切削速度和切削深度 ）、涂层刀具涂层种类、涂层厚度进行设计。选择目前较为主流的 、三种单层涂层刀具进行仿真，三种涂层的热物理性能见表 。表 三种涂层热物理性能 材质比热容（）密度（）热导率（）?仿真网格划分 软件对于网格划分有两种方法：一是使用绝对尺寸进行划分，这种方式是由系统决定划分网格总数，工件的复杂程度不同，网格单元数也随之变化；二是相对尺寸划分，用户指定固定的网格数，无论工件多么复杂，单元数量恒定。本文采用相对尺寸控制对刀具与工件进行网格划分，网格类型为四面体常应变单元，刀尖与工件接触变形十分剧烈，采用较大的网格密度，远离刀尖区域则采用较疏的网格密度。采用等效法，将刀具基体与涂层等效为一个整体，划分网格数为 ，网格大小则根据绝对尺寸来定义，其值为进给速度的 。在切削仿真过程中，为了防止由于网格畸变造成计算停止，采用自适网格重划技术，使工件在不同温度梯度、应变梯度下自动划分网格 。年第 卷?仿真结果及分析通过研究 、三种涂层刀具在不同切削速度、切削深度以及涂层厚度下前刀面的最高温度，分析不同切削参数、涂层种类、涂层厚度对切削热分配系数的影响规律。?切削速度对切削热分配的影响结合有限元仿真得到的所需参数，根据式（）和式（）计算出剪切面切削热分配系数 以及刀屑接触面切削热分配系数。涂层刀具前刀面最高温度仿真结果如图 所示。不同切削速度下三种涂层刀具前刀面热分配系数与刀屑接触面热分配系数变化趋势以及前刀面最高温度如图 和图 所示。图 不同速度下 涂层刀具前刀面最高温度（）随切削速度变化趋势（）随切削速度变化趋势图 切削速度对涂层刀具切削热分配系数的影响规律图 切削速度对涂层刀具前刀面最高温度的影响规律随着切削速度的增大，和 均增大，即切削热分配系数随着切削速度的增大呈上升趋势，切削速度越大，传入切屑的热量越多。前刀面最高温度也随着切削速度的增大而增大，这是因为单位时间内金属体积去除量与切削速度成正比，使得切削过程中所需要的能量与产生的能量均增加。切削过程中，较大的切削速度会加快切屑去除，使热量无法及时散发，导致前刀面切削最高温度上升，但实验中切削速度增长梯度较缓，前刀面最高温度增长梯度也较低 。?切削深度对切削热分配的影响 涂层、涂层以及 涂层刀具在不同切削深度下前刀面切削热分配变化如图 和图 所示。（）随切削深度变化趋势（）随切削深度变化趋势图 切削深度对涂层刀具切削热分配系数的影响规律工 具 技 术图 切削深度对涂层刀具前刀面最高温度的影响规律随着切削深度增大，剪切面热分配系数 随着切削深度的增大呈上升趋势，刀屑接触面热分配系数 随着切削深度的增大呈下降趋势，这是因为随着切削深度增加，切削力增大，但是刀屑接触长度减小，前刀面的热源面积降低，式（）中分子降低幅度更大，因此 减小，传入切屑的热量降低。前刀面最高温度随着切削深度的增加呈上升趋势，由于钛合金弹性模量较低，发生了振颤效应，产生更高的剪切应力与刀屑摩擦力，即涂层刀具的切削力做功与刀屑摩擦力做功增加，前刀面温度上升 。?涂层厚度对切削热分配的影响图 和图 是在相同切削参数下，三种涂层刀具在不同涂层厚度时的切削热分配系数与前刀面最高温度分布情况。涂层刀具切削热分配系数变化不大，主要集中在 之间，切削温度随着涂层厚度的增加而增大；涂层刀具随着涂层厚度的增加，在 时 最大，此时传入切屑的热量最多，随后随着涂层厚度的增加，逐渐减小，这是因为涂层材料的导热系数与涂层厚度之间存在尺度效应，在 之间，尺度效应明显，在 之间，导热系数随涂层厚度增加的变化不再显著 ；涂层刀具切屑热分配系数主要集中在 ，涂层厚度对切削热分配影响较小。随着涂层厚度的增加，涂层刀具最大应力增大，最大应力点从前刀面慢慢滑移至刀尖靠后的位置，且最大热流密度也随涂层厚度的增加而增大，传入刀具的热量增多，前刀面切削最高温度也随之增大 。?涂层种类对切削热分配的影响如图 所示，涂层刀具热分配系数 最大，其传入切屑的热量比例最大；涂层刀具切屑前刀面热分配系数 最小，其传入切屑的热量比例最小。比较各种刀具涂层材料的热物理性能发现，前刀面切削热分配系数 与涂层材料的导热性能有较密切的相关性，三种涂层材料的导热系数大小关系为 ，即刀具涂层材料导热系数越小，前刀面热分配系数越大，分配到切屑的热量越多，传入刀具基体的热量越少，刀具基体温度越低。涂层刀具前刀面温度是前刀面切屑热分配系数和刀屑摩擦热源产生的摩擦热综合作用的结果。（）随涂层厚度变化趋势（）随涂层厚度变化趋势图 涂层厚度对涂层刀具切削热分配系数的影响规律图 涂层厚度对涂层刀具前刀面最高温度的影响规律?结语（）随着切削速度的增大，剪切面切削热分配系数 与刀屑接触面切削热分配系数 均增 年第 卷 大。前刀面切削热分配系数越大，传入切屑的热量越多。（）由于切削深度增大，单位时间内涂层刀具与工件的接触面积增大，切削产生的热量增加，使得涂层刀具前刀面最高温度随着切削深度的增大而增大，但切削深度对最高温度的影响要低于切削速度对最高温度的影响。（）刀屑接触面切削热分配系数 与涂层材料导热系数有关，导热系数越小，越大，分配到切屑的热量越多。（）在相同切削参数下，涂层刀具对热传导有明显的热障作用，其前刀面最高温度要明显低于另外两种涂层刀具。参考文献 陈艳妮 钛合金车削参数优化与表面形貌研究 武汉：华中科技大学，：，（）：，（）：，（）：时凯华，昝秀颀，杨新宇，等 含钌 硬质合金研究现状及展望 硬质合金，（）：，（）：肖茂华，何宁，李亮，等 镍基高温合金高速铣削的切削热研究 哈尔滨工业大学学报，（）：王清江，杜劲 工件材料热导率对刀具前刀面最高温度的影响研究 工具技术，（）：艾兴 高速切削加工技术 北京：国防工业出版社，：薛明明 涂层 刀具切削淬硬钢磨损研究 大连：大连理工大学，：王剑锋 基于 的高速切削加工分析及切削参数优化 邯郸：河北工程大学，：龙震海，王西彬，刘志兵 高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究 摩擦学学报，（）：鄢建辉，汪久根，綦振慧 单层涂层最佳厚度的有限元分析 机械设计，（）：李鹏军，黄树涛，张玉璞，等 高速切削 的切削温度有限元仿真分析 兵器材料科学与工程，（）：张而耕，张体波 涂层刀具的有限元分析 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：张闻捷，姜增辉，邵忠伟，等 切削参数对 不锈钢切削温度影响的仿真研究 工具技术，（）：，（）：郝广超 涂层刀具刀屑接触热阻及其对切削温度的影响规律研究 济南：山东大学，：陶真，孙剑飞，李刘合 涂层硬质合金刀具切削钛合金仿真研究 机械设计与制造，（）：第一作者：丁志恒，硕士研究生，南京理工大学机械工程学院，南京市 ：，通信作者：黄雷，博士，讲师，南京理工大学机械工程学院，南京市 ：，工 具 技 术