基于ANSYS的高速切削涂层刀具仿真分析

周凯杨

摘要：针对含有缺陷的涂层刀具，利用ANSYS软件建立其切削过程的三维仿真模型，详细分析了缺陷的尺寸（长度、宽度、深度）对刀具温度变化的影响，为刀具缺陷的检测提供理论依据。

关键词：涂层刀具 DEFORM 高速切削 有限元模拟

1 概述

刀具是切削加工不可或缺的重要工具，刀具性能的优劣直接影响着整个工作母机的生产效率、加工精度以及产品的质量。涂层技术是为了改善高速切削加工中的高热量引起刀具的弹塑性形变，提高高度的使用寿命。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。

在涂层刀具带来的上述优点的同时，它会带来刀具缺陷检测带来一定的难度。为此，本文通过ANSYS对含有缺陷的涂层刀具进行有限元建模，并对刀具涂层的尺寸（长度、宽度及深度）对刀具温度的影响进行详细分析，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 有缺陷涂层刀具温度场仿真实例

刀具在生产加工中将会受到冲击、振动等使其产生缺陷，这将会降低产品的加工质量和生产效率，甚至威胁到生产的安全，因此，刀具缺陷的实时检测是必不可少的，尤其对于加工精度高的产品来说更为重要。本文首先用DEFORM对切削过程进行有限元的建模与求解，然后将得到的温度场数据来简化边界条件，使用ANSYS进行给定热源的有限元建模。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。通过ANSYS软件来建立大塑性变形下的切削模型，生成FEM模型，再通过对FEM模型的分析以得到刀具温度的分布情况。

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，图1给出了DEFORM中工件和刀具的有限元模型及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。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

①缺陷长度对刀具温度的影响 仿真中，假设刀具缺陷的宽度和深度为0.12mm×0.18mm，其深度分别为0.2mm、0.3mm和0.4mm时涂层刀具的温度场如图2（a）所示。

由图2（a）可知，在保持缺陷宽度和深度不变的情况下，缺陷越长，缺陷靠近刀尖一侧表面温度越高。

表1给出了在保证缺陷宽度和深度不变的情况下，不同缺陷长度时刀具的最高温度。表1表明：刀具的最高温度随着缺陷长度的增加而升高。

②缺陷深度对刀具温度的影响 缺陷宽度和长度为0.12mm×0.3mm，其深度分别为0.03mm、0.09mm和0.15mm时涂层刀具的温度场如图2（b）所示。可知，缺陷宽度和深度恒定，无缺陷刀具在靠近刀尖位置时的表面温度高于有缺陷时的温度，且其表面温度随着缺陷深度的增加而升高。

表2对比了存在缺陷时刀具的最高温度随着缺陷深度的变化情况。可知，有缺陷时刀具的最高温度随着缺陷深度的增加而升高。

缺陷的寬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

本文通过DEFORM和ANSYS对刀具在有无缺陷的温度场进行有限元建模仿真，并详细给出了刀具的表面温度和最高温度随缺陷宽度、深度及长度的变化规律。为在实际应用中进行涂层刀具的缺陷检测技术提供一定的理论依据。

参考文献：

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