周凱楊

摘要：針對(duì)含有缺陷的涂層刀具，利用ANSYS軟件建立其切削過(guò)程的三維仿真模型，詳細(xì)分析了缺陷的尺寸（長(zhǎng)度、寬度、深度）對(duì)刀具溫度變化的影響，為刀具缺陷的檢測(cè)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：涂層刀具 DEFORM 高速切削 有限元模擬

1 概述

刀具是切削加工不可或缺的重要工具，刀具性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)工作母機(jī)的生產(chǎn)效率、加工精度以及產(chǎn)品的質(zhì)量。涂層技術(shù)是為了改善高速切削加工中的高熱量引起刀具的彈塑性形變，提高高度的使用壽命。研究結(jié)果表面：含涂層的刀具的使用壽命是普通刀具的2倍。

在涂層刀具帶來(lái)的上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它會(huì)帶來(lái)刀具缺陷檢測(cè)帶來(lái)一定的難度。為此，本文通過(guò)ANSYS對(duì)含有缺陷的涂層刀具進(jìn)行有限元建模，并對(duì)刀具涂層的尺寸（長(zhǎng)度、寬度及深度）對(duì)刀具溫度的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，為涂層刀具的設(shè)計(jì)以及其缺陷探測(cè)技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)保證加工質(zhì)量和高可靠性的切削有重要的實(shí)際意義。

2 有缺陷涂層刀具溫度場(chǎng)仿真實(shí)例

刀具在生產(chǎn)加工中將會(huì)受到?jīng)_擊、振動(dòng)等使其產(chǎn)生缺陷，這將會(huì)降低產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，甚至威脅到生產(chǎn)的安全，因此，刀具缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)是必不可少的，尤其對(duì)于加工精度高的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)更為重要。本文首先用DEFORM對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行有限元的建模與求解，然后將得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)簡(jiǎn)化邊界條件，使用ANSYS進(jìn)行給定熱源的有限元建模。將已知熱源作為已知邊界條件加載，從而求出帶有缺陷的涂層刀具的溫度場(chǎng)分布。通過(guò)ANSYS軟件來(lái)建立大塑性變形下的切削模型，生成FEM模型，再通過(guò)對(duì)FEM模型的分析以得到刀具溫度的分布情況。

2.1 仿真建模 對(duì)有缺陷涂層刀具的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真時(shí)，主要分為以下幾步：

①利用DEFORM建模求解，圖1給出了DEFORM中工件和刀具的有限元模型及刀具的溫度場(chǎng)分布情況。②根據(jù)刀具的尺寸建立其幾何模型，并導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。③確定熱邊界條件。④根據(jù)上述步驟，運(yùn)行ANSYS得到仿真結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

①缺陷長(zhǎng)度對(duì)刀具溫度的影響 仿真中，假設(shè)刀具缺陷的寬度和深度為0.12mm×0.18mm，其深度分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm時(shí)涂層刀具的溫度場(chǎng)如圖2（a）所示。

由圖2（a）可知，在保持缺陷寬度和深度不變的情況下，缺陷越長(zhǎng)，缺陷靠近刀尖一側(cè)表面溫度越高。

表1給出了在保證缺陷寬度和深度不變的情況下，不同缺陷長(zhǎng)度時(shí)刀具的最高溫度。表1表明：刀具的最高溫度隨著缺陷長(zhǎng)度的增加而升高。

②缺陷深度對(duì)刀具溫度的影響 缺陷寬度和長(zhǎng)度為0.12mm×0.3mm，其深度分別為0.03mm、0.09mm和0.15mm時(shí)涂層刀具的溫度場(chǎng)如圖2（b）所示?？芍?，缺陷寬度和深度恒定，無(wú)缺陷刀具在靠近刀尖位置時(shí)的表面溫度高于有缺陷時(shí)的溫度，且其表面溫度隨著缺陷深度的增加而升高。

表2對(duì)比了存在缺陷時(shí)刀具的最高溫度隨著缺陷深度的變化情況?？芍腥毕輹r(shí)刀具的最高溫度隨著缺陷深度的增加而升高。

缺陷的寬度對(duì)刀具溫度的影響可采用上述方法進(jìn)行分析，由于篇幅原因，這里沒(méi)有給出其圖形，僅總結(jié)出其變化規(guī)律。

規(guī)律如下：涂層刀具的最高溫度隨著缺陷寬度、長(zhǎng)度、深度的增加而升高，其表面溫度隨著距離刀尖位置的增加而降低。

3 結(jié)論

本文通過(guò)DEFORM和ANSYS對(duì)刀具在有無(wú)缺陷的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元建模仿真，并詳細(xì)給出了刀具的表面溫度和最高溫度隨缺陷寬度、深度及長(zhǎng)度的變化規(guī)律。為在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行涂層刀具的缺陷檢測(cè)技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

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