涂层刀具硬态车削h13钢温度场模拟研究

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1、２０工具技术涂层刀具硬态车削Ｈ１３钢温度场模拟研究杜倩倩，付秀丽，谢安冉，潘永智济南大学摘要：基于有限元方法建立了Ｈ１３钢硬态车削的仿真模型，应用ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３涂层刀具对硬态切削Ｈ１３钢在切削速度１００－４００ｍ／ｍｉｎ范围内的切削温度进行了模拟研究，重点分析了刀具前刀面上关键点的温度变化趋势及切削速度对该点温度的影响。仿真结果表明：涂层材料对切削温度产生一定影响，ＴｉＣ涂层刀具切削时温度最低；切削速度对切削温度有直接影响，切削速度越高，切削温度越高，越容易形成锯齿形切屑；刀具前刀面温度最高点出现在前刀面靠近刀尖的一点，即容易形成月牙洼磨损的位置。关键词：

2、涂层刀具；硬态切削；温度场；有限元仿真中图分类号：ＴＧ５０６；ＴＨ１６１．４文献标志码：ＡＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇＨａｒｄＣｕｔｔｉｎｇＨ１３ＳｔｅｅｌｗｉｔｈＣｏａｔｅｄＴｏｏｌｓＤｕＱｉａｎｑｉａｎ，ＦｕＸｉｕｌｉ，ＸｉｅＡｎｒａｎ，ＰａｎＹｏｎｇｚｈｉＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｈａｒｄｃｕｔｔｉｎｇＨ１３ｓｔｅｅｌｈａｓｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｃｕｔｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎ

3、ｔｔｏｏｌｓｃｏａｔｉｎｇ（ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３）ａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ（１００－４００ｍ／ｍｉｎ）．Ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｒｅｎｄｓｏｆｋｅｙｐｏｉｎｔｏｎｔｈｅｒａｋｅｆａｃｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｆｏｌｌｏｗｓ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｌｏｗｅｓｔｗｈｅｎｕｓｅＴｉＣｃｏａｔｉｎｇｔｏｏｌ．Ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｈａｓｄｉｒｅｃｔｉｍｐａｃｔｏｎｃｕｔｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｃｕｔ

4、ｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｅａｓｉｅｒｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｅｒｒａｔｅｄｃｈｉｐ．Ｐｅａｋｏｆｔｏｏｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｐｐｅａｒｅｄｏｎｔｈｅｒａｋｅｆａｃｅｎｅａｒｔｈｅｔｉｐｔｈａｔｉｓｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｃｒａｔｅｒｗｅａｒｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｔｅｄｔｏｏｌ；ｈａｒｄ－ｄｒｙｃｕｔｔｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ＦＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ涂层材料的选择还没有系统的理论依据支撑，刀具!引言涂层材料在加工过程中由于切削热而引起的磨损和［１］Ｈ１３钢，即４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１钢，具有高的淬

5、透性失效方面的研究有待深入。因此，对不同涂层刀具和抗热裂能力，广泛用于制造冲击载荷大的锻模，热硬态车削Ｈ１３钢切削温度的研究具有一定的工程挤压模，铝、铜及其合金压铸模。从切削性能来看，应用价值。Ｈ１３钢因导热系数小，工件散热慢，切削过程中会产硬态车削过程受多种因素影响，涉及弹性力学、［８－１０］生大量的热，刀具磨损严重。硬态切削是指把淬火塑性力学、断裂力学以及摩擦学和热力学。应钢零件的车削作为最终精加工工序，且在加工中不用传统分析方法对切削过程中的应力、应变及温度［２］使用切削液的一种新工艺方法。目前Ｈ１３钢多进行分析计算量大，难度高。目前，金属切削加工过［３］采用硬态车削，最高

6、切削速度在３５０－４００ｍ／ｍｉｎ。程模拟仿真方法日趋成熟［１１］，特别在计算应力、应［４］在刀具上添加涂层可以有效降低切削温度，变、应变率和分析切削过程中温度场分布等很多问涂层材料被涂覆在刀具基体上并与之相结合，刀具题上有独特的优势［１２，１３］。本文主要应用Ａｄｖａｎｔ耐磨性和切削性能被提高的同时，仍能保持基体本ＥｄｇｅＦＥＭ软件对不同涂层刀具（ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＡｌＮ，身的韧性，从而有效改善工件与刀具之间的摩擦，保Ａｌ２Ｏ３）硬态切削Ｈ１３钢的切削过程中温度场的分［５］护刀具基体并提高刀具寿命。目前ＴｉＮ、ＴｉＣ、布规律及影响因素进行了模拟分析，为模具钢硬态［６，７］Ｔ

7、ｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等涂层刀具已广泛应用于模具钢切削工艺参数优化提供了依据。的硬态切削中。硬态切削作为一种新的切削工艺，还没有完整"有限元模型的建立的切削参数数据库来保证表面质量和加工精度，对基于微分几何理论，将三维硬态车削模型简化为二维模型，简化原理如图１所示。通过Ａｄｖａｎｔ基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（５１１０５１７２）；山东省自ＥｄｇｅＦＥＭ软件建立了硬态车削Ｈ１３钢的２Ｄ模型，然基金项目（ＺＲ２０１５ＥＬ０２８）收稿日期：２０１５年１０月应用动态自适应网格划