涂層刀具切削溫度及其測試技術(shù)研究.pdf

1、涂層刀具是切削加工中應(yīng)用最廣泛的刀具種類之一，統(tǒng)計表明，80％的切削加工應(yīng)用了涂層刀具。涂層刀具的涂層材料和刀具基體對切削熱的產(chǎn)生和溫度場分布具有重要影響，切削溫度是選擇刀具基體和涂層的重要依據(jù)。切削熱對刀具磨損、刀具壽命、刀具涂層與基體之間的結(jié)合強度、刀具與切屑之間的摩擦系數(shù)以及刀具與工件已加工表面之間的摩擦系數(shù)等均有較大影響。對于刀具切削溫度的研究方法有：數(shù)學(xué)解析法、試驗法、數(shù)值法、混合法（試驗和仿真、解析方法等綜合運用）、熱源法等

2、。由于涂層刀具切削溫度熱傳導(dǎo)偏微分方程的解析解比較復(fù)雜，甚至很難求出。對涂層刀具切削溫度的研究主要采用試驗和仿真的方法。 本文主要研究涂層刀具熱傳導(dǎo)性能，揭示涂層材料物理參數(shù)、涂層厚度和涂層結(jié)構(gòu)對切削溫度的影響規(guī)律，找出具有熱障作用的刀具涂層材料所具有的特性，研制基于涂層刀具切削溫度測試系統(tǒng)。 首先，研究導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化和導(dǎo)熱系數(shù)為恒定值時涂層刀具穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)刀具的切削溫度，分析導(dǎo)熱系數(shù)對切削溫度的影響。建立熱傳導(dǎo)偏微分

3、方程，采用數(shù)值分析方法，計算涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)取不同恒定值時的切削溫度和變導(dǎo)熱系數(shù)的切削溫度。結(jié)果表明：在精確計算穩(wěn)態(tài)切削溫度時，應(yīng)采用變熱物參數(shù)；當用常值來代替變熱物性參數(shù)時，選擇刀具基體材料平均溫度時的導(dǎo)熱系數(shù)，選擇涂層材料平均溫度或最高溫度時的導(dǎo)熱系數(shù)時，計算誤差比較小。研究涂層刀具的熱流量。提出將切屑帶走的熱量和傳入刀具的熱量都傳入刀具，再將切屑帶走的熱量看作對流換熱形式把熱量從刀具上散發(fā)出去的方法，來分析傳入刀具的熱流密度和刀

4、-屑接觸面溫度。結(jié)果表明：運用這種方法不僅可以分析傳入刀具的熱流密度和刀-屑接觸面溫度，并且還可以優(yōu)化切削參數(shù)。 其次，開發(fā)基于涂層刀具切削溫度測試系統(tǒng)。研制利用涂層刀具本身作為切削溫度傳感器的涂層刀具切削溫度測試方法，設(shè)計制作專用標定裝置并對涂層刀具切削溫度自測傳感器進行標定，分析涂層刀具切削溫度自測傳感器測溫原理。試驗結(jié)果表明：研制出的涂層刀具溫度自測傳感器可以對切削溫度進行實時測量。 然后，研究涂層刀具切削溫度的影

5、響因素及其變化規(guī)律，揭示涂層和基體材料以及涂層厚度對涂層刀具切削溫度分布的影響規(guī)律，為涂層材料和刀具基體材料的合理選擇提供理論依據(jù)。建立單涂層刀具熱傳導(dǎo)物理模型和其偏微分方程，用數(shù)學(xué)解析的方法得到單涂層刀具體內(nèi)部瞬態(tài)切削溫度分布和穩(wěn)態(tài)切削溫度分布公式，分析影響涂層刀具內(nèi)部溫度分布因素。利用試驗得到涂層分別為TiAlN、TiCN/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN的涂層刀具（分別用K1、K2、K3表示）切削45鋼時的刀具前刀面的溫度

6、，驗證解析推導(dǎo)的單涂層刀具切削溫度計算公式。結(jié)果表明：涂層材料的熱物理性能以及涂層的厚度對刀具的溫升有重要影響；涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小、涂層厚度越大則涂層刀具基體內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)切削溫度越低；發(fā)現(xiàn)涂層的導(dǎo)溫系數(shù)越小、涂層厚度越大，則刀具瞬態(tài)溫度越低；導(dǎo)溫系數(shù)小且導(dǎo)熱系數(shù)小的刀具涂層具有熱障作用；刀具溫度試驗數(shù)值與理論計算值一致。 最后，研究刀具涂層和刀具基體之間的元素擴散，在涂層刀具的熱傳導(dǎo)分析中提出涂層刀具擴散層理論。采用能譜分析的

7、方法觀測涂層刀具涂層、基體之間元素的擴散情況，確定擴散層的厚度，建立涂層刀具擴散層模型，并對其導(dǎo)熱系數(shù)進行推導(dǎo)。對涂層刀具的切削溫度用DEFORM3D有限元軟件進行仿真。結(jié)果表明：考慮刀具擴散層仿真得到的涂層刀具的切削溫度更接近于試驗測量溫度。 通過對涂層刀具熱傳導(dǎo)性能進行研究、分析在不同邊界條件下影響涂層刀具切削溫度的因素。建立涂層刀具熱傳導(dǎo)模型和理論，解決目前采用試切法確定涂層材料和厚度的非理論指導(dǎo)做法選用涂層刀具的問題；揭

8、示涂層對涂層刀具熱傳導(dǎo)的影響規(guī)律；從熱傳導(dǎo)角度提出有效降低涂層刀具切削溫度，提高刀具壽命的涂層材料的特性，為發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用新的涂層提供理論指導(dǎo)。在應(yīng)用上，從熱傳導(dǎo)的角度，對評價不同涂層刀具的性能提供理論依據(jù)，為切削加工涂層刀具的選擇和涂層刀具的制作奠定基礎(chǔ)。開發(fā)基于涂層刀具切削溫度測試系統(tǒng)，為能夠?qū)崟r、準確地測量涂層刀具切削溫度提供儀器和方法。研究導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化和導(dǎo)熱系數(shù)為恒定值時的涂層刀具穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)時刀具的切削溫度，確定用恒定刀具熱物