存在缺陷的涂層刀具3D有限元分析

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，在此基礎上總結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。

關鍵詞：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)品的質量。雖然涂層刀具可以提高刀具的壽命，改善加工質量，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，為涂層刀具的設計以及其缺陷探測技術奠定理論基礎，對保證加工質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得到仿真結果。

2.2 結果分析

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提供理論支持。

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