涂層刀具切削熱傳導(dǎo)和切削溫度的研究.pdf

1、隨著先進(jìn)刀具技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能的涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志。采用先進(jìn)的刀具涂層可以提高刀具表面的耐磨性和耐熱性、并降低摩擦系數(shù)，從而減少刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。切削過(guò)程中涂層對(duì)切削熱的產(chǎn)生和刀具溫度分布具有重要影響，特別是在切削熱向涂層刀具體內(nèi)傳導(dǎo)過(guò)程中涂層起到明顯的阻礙作用。但由于金屬切削過(guò)程的非線(xiàn)性和熱力耦合的復(fù)雜特性，對(duì)涂層刀具切削熱傳導(dǎo)機(jī)理目前尚未深入理解和認(rèn)識(shí)。因此研究涂層刀具切削熱傳導(dǎo)，揭示刀具涂層在切削熱傳導(dǎo)中的作

2、用和傳熱機(jī)理，不僅能夠精確預(yù)測(cè)和控制涂層刀具切削溫度，有助于降低刀具磨損，延長(zhǎng)涂層刀具壽命，而且可以為刀具涂層材料開(kāi)發(fā)和涂層刀具設(shè)計(jì)等提供理論基礎(chǔ)。
　　以單層涂層（TiN、TiAlN和Al2O3三種常用刀具涂層）刀具和多層涂層刀具加工H13淬硬鋼為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析、有限元仿真和切削實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)涂層刀具的切削熱分配和熱傳導(dǎo)機(jī)理展開(kāi)研究，探討塑性剪切變形熱源和刀-屑摩擦熱源作用下的涂層刀具前刀面溫度場(chǎng)和涂層刀具內(nèi)部溫度場(chǎng)，闡明

3、刀具涂層材料和涂層厚度對(duì)切削熱分配和熱傳導(dǎo)的影響規(guī)律。
　　對(duì)刀具涂層進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀(guān)察和性能測(cè)試分析。對(duì)刀具涂層斷面的微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察，并對(duì)刀具涂層成分進(jìn)行測(cè)試分析;通過(guò)摩擦實(shí)驗(yàn)獲取刀具涂層材料和H13鋼的常溫和高溫摩擦系數(shù);并對(duì)刀具涂層材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)，揭示涂層的尺度效應(yīng)對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響。
　　根據(jù)涂層刀具的特點(diǎn)，對(duì)涂層刀具切削熱分配和前刀面溫度進(jìn)行研究?；谇邢鳠岱峙淠Ｐ筒⒖紤]刀具表面涂層特點(diǎn)，結(jié)合有限元仿真定

4、量計(jì)算了不同切削速度下涂層刀具的切削熱分配系數(shù)，揭示了涂層刀具切削熱分配系數(shù)的變化規(guī)律以及刀具涂層材料和涂層厚度對(duì)切削熱分配的影響規(guī)律。建立了剪切變形熱源作用下和刀-屑摩擦熱源作用下涂層刀具的前刀面溫度模型，獲得了涂層刀具前刀面溫度場(chǎng)，并分析切削速度和刀具涂層材料對(duì)前刀面溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:刀具涂層材料的熱物理性能對(duì)切削熱分配系數(shù)和前刀面溫度的影響較大;前刀面熱分配系數(shù)與工件材料和刀具涂層材料的熱物理性能有關(guān)，刀具涂層的導(dǎo)熱

5、系數(shù)越大，前刀面熱分配系數(shù)小，傳入刀具的切削熱越多。單層涂層刀具前刀面溫度的分布規(guī)律為:沿著刀-屑接觸區(qū)從刀尖點(diǎn)至刀-屑分離點(diǎn)逐步升高，溫度在刀-屑分離點(diǎn)處達(dá)到最高值，隨后呈現(xiàn)迅速下降的趨勢(shì)。涂層刀具前刀面溫度隨著刀具涂層材料與工件材料間摩擦系數(shù)的增大而升高。
　　在對(duì)涂層刀具熱分配研究的基礎(chǔ)上，研究涂層刀具切削熱傳導(dǎo)和切削溫度，以及涂層刀具切削溫度的影響因素及其變化規(guī)律，揭示刀具涂層材料和涂層厚度對(duì)涂層刀具切削溫度分布的影響規(guī)律

6、。分別基于傅里葉熱傳導(dǎo)理論和非傅里葉熱傳導(dǎo)理論建立了單層涂層刀具穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型，并獲得單層涂層刀具穩(wěn)態(tài)切削溫度和瞬態(tài)切削溫度，研究不同涂層刀具的切削溫度分布規(guī)律，分析涂層刀具切削溫度分布的影響因素。探討了傅里葉熱傳導(dǎo)模型和非傅里葉熱傳導(dǎo)模型在切削熱傳導(dǎo)中的適用范圍。在切削時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，切削熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段，傅里葉熱傳導(dǎo)模型具有足夠的精度;當(dāng)切削熱傳導(dǎo)為瞬態(tài)時(shí)，通過(guò)非傅里葉熱傳導(dǎo)方程建立熱傳導(dǎo)模型更為適用，可用于描述瞬態(tài)熱傳導(dǎo)中的由

7、于熱沖擊而發(fā)生的熱傳導(dǎo)延遲現(xiàn)象。結(jié)果表明:刀具涂層材料和涂層厚度對(duì)刀具體溫度有影響;刀具涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小則涂層刀具穩(wěn)態(tài)切削溫度越低;刀具涂層材料的熱擴(kuò)散系數(shù)越小則涂層刀具瞬態(tài)切削溫度越低;隨著刀具涂層厚度的增加切削溫度降低明顯，切削時(shí)間越長(zhǎng)，刀具涂層厚度在切削熱傳導(dǎo)降低切削溫度的作用越明顯。
　　在單層涂層刀具研究的基礎(chǔ)上，對(duì)多層涂層刀具切削熱傳導(dǎo)展開(kāi)研究。采用等效法將多層涂層刀具等效為單層復(fù)合涂層刀具，獲得等效單層復(fù)合涂層