存在缺陷的涂层刀具3D有限元分析

周凯杨

摘要：无损检测是利用光、电和磁等特性来检测被控对象中缺陷进行检测，以确定缺陷的位置、大小及数量等信息。该技术已经成为工业生产的一种重要检测手段。本文通过对存在缺陷的涂层刀具的温度场进行有限元建模，在此基础上总结出对影响涂层刀具温度场的重要因素，为涂层刀具的无损检测奠定理论基础。

关键词：涂层刀具 DEFORM 高速切削 有限元模拟

1 概述

常规刀具在高速切削中容易引起弹塑性形变，这将为影响切削的精度，降低刀具的使用寿命。涂层技术是改善常规刀具中存在的上述问题的有效途径之一。研究结果表面：含涂层的刀具的使用寿命是普通刀具的2倍。涂层刀具的应用不仅可以是提高工作母机的生产效率，而且能够有效的提高工件的加工精度以及产品的质量。虽然涂层刀具可以提高刀具的寿命，改善加工质量，但是它会给刀具缺陷检测带来一定的难度。本文通过ANSYS对含有缺陷的涂层刀具进行有限元建模，对有无缺陷时刀具温度场的特性进行分析，并详细分析了存在缺陷时刀具的温度场变化规律，为涂层刀具的设计以及其缺陷探测技术奠定理论基础，对保证加工质量和高可靠性的切削有重要的实际意义。

2 涂层刀具温度场三维有限元建模

硬质合金刀具无论在加工制造时，还是在生产使用时，都会存在潜在的缺陷。刀具缺陷的实时检测对加工的安全性极其重要。本文首先给出了有无缺陷时涂层刀具的温度场分布情况，并分析其温度变化规律；其次以缺陷的宽度对刀具温度场的影响为例，研究缺陷的尺寸变化时刀具的温度变化特性，从而总结其变化规律。

在进行涂料刀具建模时，通过DEFORM求解切削过程的温度场数据以简化边界条件，再使用Ansys进行给定热源的有限元建模。然后将已知热源作为已知边界条件加载，从而求出带有缺陷的涂层刀具的温度场分布。

2.1 仿真建模 对有缺陷涂层刀具的温度场进行仿真时，主要分为以下几步：①利用Deform建模求解，求出刀具的温度场分布情况。②根据刀具的尺寸建立其几何模型，并导入ANSYS，进行网格划分，图1给出了涂层刀具的有限元模型及其网格划分。③确定热边界条件。④根据上述步骤，运行ANSYS得到仿真结果。

2.2 结果分析

图2 涂层刀具的温度场

①情形1：有无缺陷时刀具温度场。图2给出了刀具基体的温度场。无缺陷时其最高温度为656.425℃，缺陷为0.3mm×0.2mm×0.15mm，其的最高温度为667.512℃，由此可见，有缺陷时的基体温度比较高。由图2可知，缺陷上方局部温度高于无缺陷时涂层局部温度；涂层上最高温度高于无缺陷的涂层刀具；有缺陷涂层刀具远离刀尖方向涂层温度低于无缺陷刀具；有缺陷涂层刀具靠近刀尖方向涂层温度高于无缺陷刀具。

分析：由于热量堆积使得含缺陷的刀具表面温度高于无缺陷的刀具。对于有缺陷的刀具来说，距离刀尖越近，温度越高，反之则越低，其原因是缺陷将刀具产生的热量堆积在距离刀尖近的位置。

②不同缺陷宽度时刀具的温度场

图3 不同缺陷宽度对涂层刀具前刀面温度的影响

在曲线的长深为0.2mm×0.15mm时，缺陷宽度分别为0.03mm、0.09mm和0.15mm时涂层刀具的温度场如图3所示。图3表面，无缺陷时刀具在靠近刀尖位置的温度要低于基体有缺陷刀时的温度。缺陷靠近刀尖一侧的刀具涂层表面的温度随着缺陷深度的增大而升高。

缺陷的长度及深度对刀具温度的影响可采用上述方法进行分析，由于篇幅原因，这里没有给出其图形，仅总结出其变化规律。

规律如下：涂层刀具的最高温度随着缺陷宽度、长度、深度的增加而升高，其表面温度随着距离刀尖位置的增加而降低。

3 结论

本文在给出涂层刀具温度场有限元建模的详细步骤的基础上，分别研究有无缺陷时涂层刀具的温度场分布规律和缺陷的尺寸（长度、宽度和深度）对涂层刀具温度的变化规律。为下一步进行涂层刀具的无损探测技术提供理论支持。

参考文献：

[1]王宝友，崔丽华.涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向[J].机械，2002，29（4）：63-65.

[2]艾兴，萧红.陶瓷刀具切削加工[M].北京：机械工业出版社，1988.

[3]张士军，刘战强，刘继刚.涂层刀具切削温度研究现状[J].工具技术，2009（01）.endprint