多层复合涂层刀具切削过程的

三维有限元仿真

*

侯志刚,赵军,徐立强,郭忠

(1山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室,济南250061;

2烟台大学机电汽车工程学院,烟台264005)

摘要:利用DEFORM 3D软件,对多层复合涂层刀具的切削过程进行三维有限元仿真研究,获得了切削过程中的切削温度、切削力和刀具应力等参数,并进行了相关的切削实验对比。实验结果表明,仿真所得的切削温度和切削力结果与实验结果能够较好地吻合,仿真所得的刀具应力结果能够较好地说明涂层的破坏。该仿真方法可以作为研究多层涂层刀具失效机理的有效方法,

关键词:多层涂层刀具;切削;三维;有限元;仿真

中图分类号:TP391 文献标志码:A 文章编号:1671 3133(2011)02 0085 04

1,2122

3 dimensionalfiniteelementsimulationonthecuttingprocess

ofmulti layercoatingtools

HOUZhi gang

1,2

,ZHAOJun,XULi qiang,GUOZhong

122

(1KeyLaboratoryofHighEfficiencyandCleanMechanicalManufactureofMOE,SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China;2SchoolofElectro mechanical

&AutomobileEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,Shandong,China)

Abstract:3 dimensionalfiniteelementsimulationswereperformedonthecuttingprocessofmulti layercoatingtoolsusingDE FORM 3Dsoftware.Parametersincludingcuttingtemperature,cuttingforceandtoolstresswereobtainedandcomparedwiththeresultsofcorrespondingcuttingexperiments.Thesimulatingresultsofcuttingtemperatureandforceareconsistentwiththeexperi mentresults,andthedamageofthecoatinglayerscouldbeexplainedbytheresultsoftoolstress.Itisshownthatthissimulationmethodcouldbeusedeffectivelyintheresearchontheinvalidationofmulti layercoatingtools.Keywords:multi layercoatingtools;cutting;3 Dimensiona;lfiniteelement;simulation

涂层刀具自上世纪60年代末开始出现以来,已经取得了飞速的发展。从早期的单层TiC涂层,到近年来广泛使用的TiC、TiN、Al2O3、TiAlN和金刚石等超硬

材料多层复合涂层,涂层刀具的综合切削性能不断提高,适用领域不断扩大,在高速切削和难加工材料中的应用也越来越广泛。目前在工业发达国家中,涂层刀具的使用比例已经超过80%,成为高速切削、数控

[1]

加工等领域选择刀具材料的最佳方案之一。

涂层刀具的性能取决于涂层材料和涂层工艺的技术水平。在实际使用中,涂层刀具的切削性能与工件材料和切削参数密切相关。因为每一种刀具材料

都有其特定的加工范围,都存在着切削刀具与加工对象的合理匹配问题

[2]

。金属切削是一个高温、高应

力、大变形和多物理场耦合的复杂过程,只有各项参

数匹配得好,使涂层材料处于较好的应力、应变和温度状态,才能获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率

[3]

。

目前通过切削实验的方法不能实时地获得切削过程中的各项参数,因而很多研究采用有限元方法对切削过程进行仿真并取得了可靠的结果

[4 5]

。本文基

于DEFORM 3D软件,建立了多层复合涂层刀具切削过程的有限元模型,分析了涂层区域应力、应变和温

*国家973计划项目(2009CB724402);中国博士后科学基金面上项目(20080431174);山东省博士后创新专项资金项目(200702026)

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