周凱楊

摘要：無損檢測是利用光、電和磁等特性來檢測被控對象中缺陷進行檢測，以確定缺陷的位置、大小及數(shù)量等信息。該技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的一種重要檢測手段。本文通過對存在缺陷的涂層刀具的溫度場進行有限元建模，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出對影響涂層刀具溫度場的重要因素，為涂層刀具的無損檢測奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：涂層刀具 DEFORM 高速切削 有限元模擬

1 概述

常規(guī)刀具在高速切削中容易引起彈塑性形變，這將為影響切削的精度，降低刀具的使用壽命。涂層技術(shù)是改善常規(guī)刀具中存在的上述問題的有效途徑之一。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。涂層刀具的應(yīng)用不僅可以是提高工作母機的生產(chǎn)效率，而且能夠有效的提高工件的加工精度以及產(chǎn)品的質(zhì)量。雖然涂層刀具可以提高刀具的壽命，改善加工質(zhì)量，但是它會給刀具缺陷檢測帶來一定的難度。本文通過ANSYS對含有缺陷的涂層刀具進行有限元建模，對有無缺陷時刀具溫度場的特性進行分析，并詳細分析了存在缺陷時刀具的溫度場變化規(guī)律，為涂層刀具的設(shè)計以及其缺陷探測技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)，對保證加工質(zhì)量和高可靠性的切削有重要的實際意義。

2 涂層刀具溫度場三維有限元建模

硬質(zhì)合金刀具無論在加工制造時，還是在生產(chǎn)使用時，都會存在潛在的缺陷。刀具缺陷的實時檢測對加工的安全性極其重要。本文首先給出了有無缺陷時涂層刀具的溫度場分布情況，并分析其溫度變化規(guī)律；其次以缺陷的寬度對刀具溫度場的影響為例，研究缺陷的尺寸變化時刀具的溫度變化特性，從而總結(jié)其變化規(guī)律。

在進行涂料刀具建模時，通過DEFORM求解切削過程的溫度場數(shù)據(jù)以簡化邊界條件，再使用Ansys進行給定熱源的有限元建模。然后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分布。

2.1 仿真建模 對有缺陷涂層刀具的溫度場進行仿真時，主要分為以下幾步：①利用Deform建模求解，求出刀具的溫度場分布情況。②根據(jù)刀具的尺寸建立其幾何模型，并導(dǎo)入ANSYS，進行網(wǎng)格劃分，圖1給出了涂層刀具的有限元模型及其網(wǎng)格劃分。③確定熱邊界條件。④根據(jù)上述步驟，運行ANSYS得到仿真結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

圖2 涂層刀具的溫度場

①情形1：有無缺陷時刀具溫度場。圖2給出了刀具基體的溫度場。無缺陷時其最高溫度為656.425℃，缺陷為0.3mm×0.2mm×0.15mm，其的最高溫度為667.512℃，由此可見，有缺陷時的基體溫度比較高。由圖2可知，缺陷上方局部溫度高于無缺陷時涂層局部溫度；涂層上最高溫度高于無缺陷的涂層刀具；有缺陷涂層刀具遠離刀尖方向涂層溫度低于無缺陷刀具；有缺陷涂層刀具靠近刀尖方向涂層溫度高于無缺陷刀具。

分析：由于熱量堆積使得含缺陷的刀具表面溫度高于無缺陷的刀具。對于有缺陷的刀具來說，距離刀尖越近，溫度越高，反之則越低，其原因是缺陷將刀具產(chǎn)生的熱量堆積在距離刀尖近的位置。

②不同缺陷寬度時刀具的溫度場

圖3 不同缺陷寬度對涂層刀具前刀面溫度的影響

在曲線的長深為0.2mm×0.15mm時，缺陷寬度分別為0.03mm、0.09mm和0.15mm時涂層刀具的溫度場如圖3所示。圖3表面，無缺陷時刀具在靠近刀尖位置的溫度要低于基體有缺陷刀時的溫度。缺陷靠近刀尖一側(cè)的刀具涂層表面的溫度隨著缺陷深度的增大而升高。

缺陷的長度及深度對刀具溫度的影響可采用上述方法進行分析，由于篇幅原因，這里沒有給出其圖形，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

本文在給出涂層刀具溫度場有限元建模的詳細步驟的基礎(chǔ)上，分別研究有無缺陷時涂層刀具的溫度場分布規(guī)律和缺陷的尺寸（長度、寬度和深度）對涂層刀具溫度的變化規(guī)律。為下一步進行涂層刀具的無損探測技術(shù)提供理論支持。

參考文獻：

[1]王寶友，崔麗華.涂層刀具的涂層材料、涂層方法及發(fā)展方向[J].機械，2002，29（4）：63-65.

[2]艾興，蕭紅.陶瓷刀具切削加工[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[3]張士軍，劉戰(zhàn)強，劉繼剛.涂層刀具切削溫度研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2009（01）.endprint