施加TiC涂层材料的微织构刀具切削AISI1045的研究

蒋煜，王大中，毛蔚

（201600 上海市 上海工程技术大学）

0 引言

由于钢材料的低热传导性和硬度高的特性，普通刀具切削加工钢材料极易造成严重的刀具磨损，刀具磨损会使表面加工质量变差。为解决上述问题，技术人员通过在刀具上加工微织构提高表面质量、降低刀具磨损。微织构刀具切削加工时的热损伤更小，有利于避免切削加工AISI1045 时刀具失效[1]。Sarvesh[2-3]分别对比分析了微量润滑和刀具涂层对微织构刀具与普通刀具的切削影响；Kashfull 研究了前刀面三种几何形态的微织构（垂直微织构、水平微织构以及椭圆微织构）对切削过程的影响[4]。结果表明，具有微织构结构的刀具相比没有微织构结构的普通刀具能够大大降低切削力、刀-屑接触摩擦系数以及增大剪切角[5-6]。

1 材料基本参数及有限元建模

本文采用有限元分析软件对车削过程进行建模，工件材料采用AISI1045，刀具材料采用硬质合金材料，采用三角车刀模型，刀片厚度为2 mm。该刀具模型在前刀面加入了圆坑型的微织构，切削速度1 200 r/min,背吃刀量为1 mm。有限元的车刀模型如图1 所示。

图1 有限元车刀模型Fig.1 Finite element turning tool model

AISI1045 作为钢材料，具备极好的可切削性能和高硬度，在建设工程和机械设备中被广泛使用，因此加工AISI1045 是不可或缺的一项工作。表1列出了AISI1045 材料的主要力学性能，并将该材料作为被加工的工件，进行了研究。

表1 AISI1045 材料的主要力学性能[7]Tab.1 Main mechanical properties of AISI1045 material

2 切削过程中的理论分析

把切削过程简化为二维切削过程，并把所有力都画在切削刃前方，可以得出图2 所示的各力的关系。图2 中：Fr——Fn和Ff的合力；Fz——切削分力；Fv——与运动方向垂直的切削分力。各力的计算分别如式（1）—式（4）所示。

图2 切削时力与角度的关系Fig.2 Relationship between force and angle in cutting

3 微织构刀具与施加涂层的微织构刀具的切削性能对比

3.1 等效应力的对比

范式等效应力，是一种屈服准则,屈服准则的值我们通常叫等效应力。一般材料在外力作用下产生塑性变形，以流动形式破坏时，应该采用第三或第四强度理论。

本文中将微织构刀具与施加TiC 涂层的微织构刀具分别切削AISI1045，得出了相应的模拟结果，其中等效应力的云图如图3 所示。图3（a）为普通微织构刀具的等效应力云图，图3（b）为施加涂层后的等效应力云图。由图3 可见，施加TiC 涂层的微织构刀具在切削加工中的等效应力有显著的降低，由原来的2 250 MPa 降低至1 960 MPa，降低了12.9%，对加工过程的影响显著。

图3 微织构刀具与施加TiC 涂层的微织构刀具切削AISI1045 的等效应力云图Fig.3 Equivalent stress nephogram of micro textured tool and micro textured tool with TiC coating cutting AISI1045

3.2 切削力的对比

图4 是2 种刀具在X、Y、Z 三个方向上所受载荷，明显看出施加涂层后的微织构刀具所受载荷显著降低。可得：可以得出结论：施加TiC 涂层的微织构刀具切削力整体要比普通的微织构刀具低很多。

图4 微织构刀具与施加TiC 涂层的微织构刀具3 个方向所受载荷图Fig.4 Load diagram of micro textured tool and micro textured tool with TiC coating in three directions

3.3 切削温度的对比

微织构刀具与施加TiC 涂层的微织构刀具切削AISI1045 的温度云图如图5 所示。

图5 微织构刀具与施加TiC 涂层的微织构刀具切削AISI1045 的温度云图Fig.5 Temperature nephogram of AISI1045 cut by micro textured tool and micro textured tool with TiC coating

图5（a）为硬质合金微织构刀具切削AISI1045 的温度云图，图5（b）为施加TiC 涂层的微织构刀具切削AISI1045 的温度云图。由图5可以看出，施加涂层后，温度也有所降低，最高温度从1 100℃降低到1 050℃，说明涂层刀具对温度的降低也有作用。

4 结语

通过给微织构刀具施加TiC 涂层材料并进行仿真得出结论：（1）施加涂层后的刀具在切削AISI1045 材料后的等效应力有显著降低；（2）施加涂层后的刀具在切削AISI1045 材料与普通微织构刀具相比，切削力有明显降低。（3）施加涂层后的刀具在切削AISI1045 材料与普通微织构刀具相比，切削温度略有下降。

总体而言，在微织构刀具表面添加涂层材料能够有效地改善切削性能，提升刀具寿命。