（机械工程专业论文）基于边界元法的涂层刀具温度场分析.pdf

论文题目： 学科专业： 研究生： 指导导师： 基于边界元法的涂层刀具温度场分析 机械制造及其自动化 杜军 肖继明副教授 摘要 签名： 签名： 金属切削加工是机械制造领域最重要的工艺手段，刀具承担着重要 角色。本文以涂层刀具为研究对象，建立了涂层刀具温度场的数学模型， 分析比较了几种常见类型涂层材料对刀具温度场的影响，同时分析了涂 层厚度对涂层刀具温度场的影响，进而对涂层的隔热作用进行了理论分 析与验证，结果对涂层刀具的选择有重要意义。 本文采用边界元子域划分法研究了涂层车刀的二维稳态传热问题， 将研究对象离散多个独立子域，在每个子域上建立边界元离散方程，通 过补充相邻层材料交界面上的温度单值条件和热流连续条件建立补充方 程，然后集成各子域的离散方程和界面补充方程从而形成系统方程，采 用边界元求解方法获得刀具体内任意点的温度。 基于上述理论分析及边界元解析方程，在c o m p a q v i s u a lf o r t r a n v e r s i o n6 5 环境，应用f o r t r a n 语言开发了适用于求解涂层刀具温度场的 应用程序包。针对不同涂层材料、涂层结构的涂层刀具，通过仿真计算， 获得了涂层刀具涂层基体界面的温度分布，分析比较了涂层材料、涂层 厚度对隔热作用的影响。结果表明当涂层厚度在l 3 0 肛m 的范围内， t i a l n 涂层隔热作用较明显。在涂层厚度、基体材料及温度边界条件相同 的情况下，几种常见涂层材料的隔热作用对比结果发现，t i a i n 涂层隔热 效果最为明显，且界面温度最高点离切削刃最近，t i c a 1 2 0 3 t i n 、 t i c t i ( c ，n ) a 1 2 0 3 t i n 复合涂层材料的隔热效果不如t i a i n 涂层明显， t i c 、t i n 、w c 涂层的隔热作用都很小。通过与涂层刀具实际切削效果对 比发现仿真结果与实际切削结果比较吻合，表明所建立的涂层刀具温度 场边界元模型、解析方法及程序正确，为涂层刀具温度场计算探索出了 一条新路。 西安理工大学硕士学住论文 关键词：涂层刀具；温度分布；边界元；稳态传热 本研究得到陕西省教育厅专项科研基金( 0 5 j k 2 7 4 的资助。 - l i l e ： n l t3 i ou rl 亡m r 亡i 【 u k 亡r l c l u o no u ， lc uo ull i n u t o o l sb a s e do nb e m m a j o r ：m a c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：j u nd u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r a f j i m i n gx i a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ：! 出“臼 。、 一 s i g n a t u 怕：2 ( 巡盈画 9 m e t a lm a c h i n i n gi st h em o s ti m p o r t a n tm e a n si nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r e ，c u t t i n gt o o l s p l a yv e r yi m p o r t a n tr o l e t h i st h e s i st a k e st o o l sw i t hm u l t i l a y e rc o a t i n g sa sr e s e a r c ho b j e c t i v e a n a l y t i c a lm o d e l sf o re v a l u a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d si nc o a t e dc u t t i n gt o o l sw e r ed e r i v e d t h e i n f l u e n c eo fs e v e r a ld i f f e r e n tk i n d so fc o a t i n gm a t e r i a l sa n dc o a t i n gt h i c k n e s so i lt h e t e m p e r a t u r ef i e l d sw e r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d s e q u e n t i a l l y , t h ee f f e c to ft h e r m a lo b s t a c l eo f c o a t i n g sw a se x a m i n e da n da n a l y s e dt h e o r e t i c a l l y t h ed a t aa n dr e s u l t so b t a i n e dc a nb eu s e df o r t h er a t i o n a lc h o o s eo f t 0 0 1s e l e c t i o n t h em u l t i d o m a i nb e mw e r eu s e dt os o l v et w o - d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e ri nc o a t e dc u t t i n g t o o l s ，t h ew h o l ed o m a i ni sc o m p o s e do fs e v e r a lh o m o g e n o u sa n di s o t r o p i cs u b d o m a i n s f o r e a c h s u b d o m a i n , b o u n d a r yi n t e g r a l f o r m u l a t i o n sw e r es a t i s f i e dt os o l v et h ep r o b l e m n u m e r i c a l l y , c o n t i n u i t yo ft e m p e r a t u r ea n dn o m a lf l u xa tt h ei n t e r f a c ew e r ec o m p e n s a t e d a l l t h e s ea l g e b r a i ce q u a t i o n sw e r ea s s e m b l e da n ds o l v e ds i m u l t a n e o u s l yf o rt h eb o u n d a r ya n d i n t e r f a c eu n k n o w np a r a m e t e r s o n c et h eb o u n d a r yu n k n o w sa r es o l v e d ，i n t e g r a le q u a t i o n sc a n b ei n t e g r a t e dt oo b t a i nt h et e m p e r a t u r ea ta n y p o i n ti n s i d ee a c hs u b d o m a i n b e ms o f t w a r eb a s e do nt h ea b o v ef o r m u l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e du s i n gf o r t r a n p r o g r a m m i n gl a n g u a g eu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc o m p a qv i s u a lf o r t r a nv e r s i o n6 5 ，w h i c h w a su s e dt os i m u l a t et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n f o rt h ep u r p o s eo ff i n d i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i f f e r e n tc o a t i n gm a t e r i a l s ，c o a t i n gt h i c k n e s sa n di n t e r f a c et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n b e t w e e ns e v e r a lc l a s s i c a lc o a t i n g sa n ds u b s t r a t e t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a t t h em a j o r i t yo fc o a t i n g se x c e p tt i a l nc o a t i n gh a v el i t t l eo rn oi n f l u e n c eo nr e d u c i n gt h e 西安理工大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw i t h i nt h et h i c k n e s sr a n g eo f1 3 0 1 a m ，a n dw h e n t h ec o a t i n gt h i c k n e s s r e a c ht o3 0 1 m a ，t h et i a l nc o a t i n gh a v et h eo b v i o u se f f o c to ft h e r m a lo b s t a c l e i d e n t i c a l b o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ea p p l i e dt od i f f e r e n tm o d e l sw i t hd i f f e r e n tc o a t i n gm a t e r i a l s t h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ep o i n to nt h ec o a t i n g - s u b s t r a t ei n t e r f a c ef o rt h et i a i n c o a t i n gt o o lw a s l o c a t e da tt h en e a r e s td i s t a n c ef r o mt h ec u t t i n ge d g e t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to nt h ei n t e r f a c e f o r t h et i a i nc o a t i n gt o o lw a sg r e a t t e rt h a nt h a to ft h et i n ，t i cc o a t i n g sa n dt h e t i c a 1 2 0 a t i n ，t i c r r i ( c ，n ) a 1 2 0 3 t i nc o m p o s i t ec o a t i n g s t h es i m u l a t e dr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h eb e mc a l lb e c o n s i d e r e da l le f f e c t i v et e c h n i q u ef o rd e t e r m i n i n gt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ：c o a t i n gt o o l ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；b e m ；h e a tt r a n s f e r t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yf o u n d a t i o no f e d u c a t i o nb u r e a u ( 0 5 j k 2 7 4 ) 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：起娶d 7 年弓月3 日 学位论文使用授权声明 本人敦兰一在导师的指导f 创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二 ；馆、资料室 等场所或在校匿网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：爿圣髦 导师签名 班弓月弓日 l 绪论 1 绪论 1 1 本文研究的背景及意义 刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优质表面改性技术，由于该项技术 可使刀具结合基体本身的高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高刀具的 耐磨性而不降低其韧性，从而大幅度提高机械加工效率及刀具使用寿命。并且，涂层刀 具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可 以显著减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本，因此该项技术 已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一。 在涂层方法上，主要有c v d 、p v d 两种，在c v d 涂层方面，包括t i c n 、t i c 、 t i n 、z r c n 和a 1 2 0 3 等各种化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能，如结合强 度、韧性、耐磨性和抗磨性具有良好效果。现在典型的c v dt i n a 1 2 0 3 t i c n 多层式 结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。m t c v d ( 中温化学涂层) 因有较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性r l 相最小化， 同时减少了在高温c v d 涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹，因此，m t c v d t i c n 涂层已成为c v d 多层涂层中的一个主要构成，这种m t c v d 已用于a a 1 2 0 3 ，如以 色列i s c a r 公司的a i c 9 1 5 0 、n i c 9 2 5 0 、a i c 9 3 5 0 和i c 4 1 0 0 等，提升了涂层与基 体的结合强度和抗后面磨损、前面磨损和抗粘附的能力【1 】。在p v d 涂层方面，也从 单一的t i n 或t i c n 或t i a i n 涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+ 软涂层。为适应 更高切削速度和干式切削的要求，涂层刀具的红硬性成为近几年p v d 技术的开发热 点。t i a i n 的改进涂层a 1 t i n 提高了薄膜中a 1 的含量( a i 含量大于5 0 ) ，提升了 涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能。 现代刀具涂层发展的一个重要特征就是复合化，为了提高其综合性能，涂层材料 复合、涂层层复合以及c v d 与p v d 复合，如通过m t c v da 1 2 0 3 和p v dt i a i n 复合 涂层，提高了材质的综合性能，用于高速加工灰铸铁和球墨铸铁。而多样化是刀具涂 层发展的另一个趋势，有各种氮化物、氧化物涂层材料，还有金刚石涂层、立方氮化 硼涂层等等。多样化的深层次原因是专业化，即针对不同的需求采用不同的涂层，并 能对涂层的组分、百分比、结构及厚度在更大范围内加以控制和改变，以适应不同的 被加工材料和不同的切削条件，从而显著地提高刀具的切削性能。 涂层刀具切削性能主要包括硬度、化学稳定性、摩擦系数、导热率与热稳定性以及 涂层和基体的结合强度等方面，在切削加工应用中，硬度、化学稳定性、热稳定性均与 切削温度有重要联系，切削温度是影响加工精度、表层质量、刀具磨损速度的重要因素 【1 3 t ”j ，因此对切削温度的研究有着重要的实用意义。目i j 对涂层刀具切削热的研究，主 要是通过实验如热电偶法、红外照相法、高温辐射法等手段来完成，实验法固然是获得 真实数据的最直接手段，但实验法也存在一些不足，如实验成本高，某些工况下的实验 西安理工大学硕士学位论文 数据不能直接测得等。近年来，计算机技术的发展为加工过程中数值模拟切削刀具的温 度分布提供了可能，常用的数值方法有有限差分法，有限元法，边界元法，有限容积法 等。数值计算的最大优点就是一旦计算结果被确定为合理的，它就可以超越实验手段和 测试方法的限制，发挥更大的作用，如缩短研制周期、拓宽研究范围、进行优化设计、 降低开发成本等。然而，因本文研究对象是涂层刀具，而涂层厚度通常只有微米级，若 用有限元划分网格则网格单元的尺寸与涂层厚度接近，这势必会影响到解的精度，因此 本文考虑用另一种数值解法一边界元法对涂层刀具温度场展开研究，因影响涂层刀具 温度场的因素多而复杂且国内相关文献较少，故本文仅从刀具涂层材料、厚度和结构对 涂层一基体界面温度分布的影响关系入手考察涂层的隔热作用，为涂层刀具温度场计算 探索出一条新路。 1 2 涂层刀具技术发展及研究现状 ( 1 ) 涂层工艺的发展及研究现状 刀具涂层目前常用的方法有p v d 和c v d 两种。前者的沉积温度低，可控制在5 0 0 以下，未超过高速钢本身的回火温度，可避免刀具变形，因而高速钢刀具采用p v d 法。后者的沉积温度为9 0 0 1 1 0 0 。但工艺设备简单，涂层均匀，故硬质合金多用c v d 法，可是用c v d 法涂层后的表面粗糙度要比基体稍差，在锋利的刃口上不易沉积涂层， 故涂层前需对刃口进行钝化处理。针对c v d 的不足，出现了一种c v d p v d 相结合的 工艺，称为等离子辅助化学气相沉积工艺( p c v d ) ，即利用等离子体来促进化学反应， 可使沉积温度降低到2 0 0 5 0 0 c 进行。但因p c v d 法沉积t i n 时使用的t i c h 对工艺装 嚣有腐蚀作用，因此近年来有人采用金属有机物t p t 或t e t 代替t i c l 4 作为供钛热源进 行p a m o c v d 涂层处理。切削试验表明，经p a m o c v d 法涂层后的钻头使用寿命比未 涂层的提高将近6 倍，比p c v d 法涂t i n 钻头提高2 3 倍。 离子束辅助沉积技术( m a d ) 是近几年新发展起来的一种新型p v d 法。它兼有气 相沉积与离子注入的优点。其基本特点是在冷相沉积镀膜的同时，用具有一定能量的离 子束轰击不断沉积着的物质，使沉积原子与基体原子不断混合，界面处原子相互渗透融 为一体，从而大大改善了膜一基的结合强度。i b a d 可在较低温度下制备c 、n 、b 化 合物。 据报道，美国g e o r g i a 理工学院开发出可使某些氧化物、氮化物、碳化物与硼化物 的薄膜涂层工艺简化，称之为c c v d 法( c o m b u s t i o nc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 的薄 膜涂层新技术，它综合了c v d 法与热喷涂技术两者的优点，可使薄膜具有更高的质量， 并能在空气中进行，而不需c v d 法要用的高压真空设备，从而可使生产成本大大降低。 必须指出，涂层除可涂覆在硬质合金刀具基体上或高速钢刀具基体上外，目前也有 涂覆在陶瓷和超硬材料刀片上的。在陶瓷、超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材 料，其目的是为了提高刀片表面的断裂韧度( 可提高l o 以上) ，从而可提高刀具寿命， 扩大其使用范围。此外，涂层还从过去只能涂覆切削刀片发展到可涂覆整体硬质合金刀 2 1 绪论 具即钎焊的硬质合金刀具。 ( 2 ) 涂层材料的发展及研究现状 随着表面涂层技术的不断发展，涂层材料的研究同样方兴未艾。c v d 、p v d 涂层 技术中，1 i n 是最早使用的涂层材料，其后t i c 、t 认1 n 、c r n 、z r n ，t i z r n ，以及以 t i c n 为基的多元成分新涂层材料如( t i ，z r ) c n 、( t i ，a 1 ) c n 、( t i ，s i ) c n 等新材 料纷纷涌现。t i a i n 有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力，涂层硬度高，抗氧化性能 好，切削性能优于t i n 涂层，用于加工航天合金材料时的刀具寿命可提高l 4 倍。c r c 和c r n 涂层是无钛涂层，可有效地切削钛和钛合金以及铝合金等其它软材料。 除了上述使用的涂层材料外，现在使用的涂层还有h f 、z r 、t a 的碳化物与氮化物， h f 、z r 、t i 、n 、t a 的硼化物，h f 、z r 、t i 、b e 的氧化物等。 刀具的软涂层则主要是m o s 2 、w s 2 等硫族化合物。刀具软涂层的应用，解决了航 空航天工业使用的许多高强度铝合金、钛合金或贵金属材料的加工问题。 更新型的涂层材料如金属一碳膜涂层已经开始在欧洲使用，但目前还处试验阶段； 包括立方氮化硼( c b n ) 涂层、氮化碳( c n x ) 、多晶氮化物超点阵涂层等的新型超硬涂层 正在研究开发之中；许多国际刀具供应商对刀具涂层的研究纷纷取得佳绩：如美国 m u l t i s e i e n t i f i c c o 撕n g 公司的类舍刚石的碳涂层；日本不二越公司的一种称为s g 的新 型涂层( 它由t i n 、t i c n 及t i 系膜三层组成，耐磨性优于t i n 涂层，且涂层与基体的 结合强度高，表层为t i 系特殊膜层，具有极好的耐热性) ；瑞士一种称为 m o v i c ”软涂 层的新工艺( 在刀具表面涂覆一层固体润滑膜二硫化钼，刀具切削寿命数倍增加，且能 获得优良的加工表面) 等。作为能够大幅提高加工效率，延长刀具使用寿命的优质表面 改性技术，目前主流刀具供应商，如s a n d v i kc o r o m a n t 、w a l t e r 、k e n n a m e t a l 、t a e g u t e c 、 s e c o 、v a r g u s 等都在不断寻求性能更好、更适应现代加工的刀具表面涂层材料。 1 3 涂层刀具切削温度研究现状 切削热和切削温度是金属切削过程中的重要物理现象之一。金属切削时所做的功 大部分转化为热能，除切削时所产生的热能外，虽还有新生面的表面能，加工表面和 切屑中残留应变能等，但这部分的能量只不过占总能量的1 3 t m 。在转化成的总 热能中，除去极少量以热辐射形式发散外，其余均用于加热切屑、工件以及刀具。金 属切削中的许多经济和技术问题大都直接或间接地由切削热所引起，它影响刀具的磨 损及耐用度，影响工件的加工精度和已加工表面的质量。同时在很大程度上决定金属 切削加工的成本。因此了解刀具切削刃附近区域的温度分布、热流密度及其影响因素， 无论对于进行金属切削加工机理的研究、刀具磨损机理的磨损规律的探讨，还是刀具 的设计与制造、切削加工参数的选择以及已加工表面质量的控制等都是相当重要的。 但是要精确地测量和计算前刀面接触区的温度分布，在技术上还存在一定的困难。 目i i 各国学者在涂层刀具切削机理方面做了许多的研究，在涂层刀具切削研究过 程中，关于切削温度研究的文献相对来说较少，一般通过试验方法进行实际测量。 3 西安理工大学硕士学位论文 t h o m a s 和d o n a l d 等用自然热电欧法对涂层刀具切削温度进行了研究试验研究，测得了 切屑一前刀面平均温度【2 - 5 1 。k a t o 过传统的表面研磨加工实验，进一步确定了切削热的 分配系数h 【3 】og r z e s i k 采用半人工热电欧法和高温辐射温度测量法对涂层刀具切削温 度进行了直接、间接测量，确定涂层刀具结构在不同的切削速度和进给率情况下对刀一 屑界面温度的影响关系1 6 - 9 1 。a n m a r e g o 等基于正交切削试验提出一个综合性模型，该模 型可预测刀一屑界面平均温度，但计算误差在一1 0 7 5 1 7 【2 j 。 除了进行试验研究外，也有许多学者对涂层刀具切削温度进行了理论分析和计算， 建立了计算模型。c h a o 等 i - a , 5 1 最早运用函数分析法建立了计算刀一屑界面温度的指数计 算公式，在c h a o 的基础上，s h a w 基于相似性理论又提出了线性计算公式，计算公式中 均考虑了刀具材料和工件材料的特性【 1 1 。k a t o 和f u j i i 2 。3 】在c h a o 提出的计算刀一屑界 面温度的指数计算公式的理论基础上，在数值分析涂层刀具温度方面，s m i t h 和a r m a r e g e 首次运用有限差分法预测正交切削过程中涂层刀具的温度，他们基于经典的薄壁剪切区 模型和刀具的柱面极坐标网格划分理论建立了涂层刀具三维温度场分析模型，在前刀面 和后刀面上获得的计算温度比热电偶法测得值略高，而预测的前刀面平均温度与实验测 得值较吻合 1 2 - 1 3 1 。后来，这一团队又提出了针对刀具一切屑一工件系统的三维有限差分 温度场模型，从该模型获得的刀具一切屑界面平均温度解析值与实际值偏差为8 。 j a s p e r s 等将人工智能技术用于测量切屑外表层温度，用有限差分法从测量值推导计算了 刀一屑界面温度，并建立了求解切屑温度场的瞬态简化数学模型，用e u l e r 法求解了该 模型，计算结果与实验测得值较一致 2 - 3 , 1 7 - 1 8 , 2 8 】。o b i k a w a 等用有限差分法计算了a 1 2 0 3 涂层硬质合金刀具的温度场，在能量平衡方程离散形式的基础上，求解过程用到了控制 容积法，计算结果与热电偶法实测温度很好的吻厶【”, 2 7 - 3 0 1 。近来，l _ a z o g l u 和a l i t i n t a s 首次运用有限差分法预测了连续车削和断续铣削普通钢和铝合金材料时刀具和切屑的 稳态温度场，有限差分法计算模型的建立是以基于能量平衡方程的偏微分方程形式给出 p l 。该计算模型的计算结果与热电偶法测得的结果一致。后来d a v i e s 等提出了在能量守 恒法的基础上，将红外显微测量法与有限差分算法相结合的新方法，该方法的测量结果 显示刀屑界面测量温度高度依赖于刀具模型和材料的摩擦特性【3 挪1 9 , 2 9 1 。w g r z e s i k 和 p n i e s l o n y 等基于涂层刀具连续干式切削试验，建立了求解前刀面接触区平均温度、切 削热分配系数分析模型，该模型考虑了切削过程中工件、涂层、基体热特性的变化，并 且考虑了切削速度对刀一屑接触长度的影响关系【2 j 。 虽然目前有许多学者在涂层刀具切削温度方面进行了研究，但无论是试验研究方 面，还是理论分析计算方面都存在着一些不足。在试验研究方面，虽然现在有了不少的 测量刀具切削温度的方法，但是每种方法都有不足之处，例如用热电欧测温，测得结果 只是前刀面接触区的平均温度，而当刀具涂层材料、工件材料改变时，需要重新标定温 度一毫伏曲线；高温辐射计测温法测得结果是间接的，测试结果在很大程度上受测试件 表面状态的影响，且对测量工况有很高要求。在理论计算及数值模拟方面，有限差分法 4 1 绪论 是使用最多的方法，但文献中的解析计算主要是围绕前刀面接触区温度展开，因涂层结 构的特殊，有限元法在此变的不适用。因此在涂层刀具切削温度研究方面还需要做大量 的研究工作。 1 4 涂层刀具切削温度尚待深入研究的问题 ( 1 ) 涂层刀具切削热产生机理的研究 目前，关于涂层刀具切削热产生机理的研究主要是通过实验研究来进行，且只是针 对几种材料或试验测试方法而展开，所得结论是局部的，需系统研究涂层刀具切削热产 生的机理，及其与涂层材料热物性、刀一屑界面摩擦特性等与切削热产生有密切关系的 因素。 ( 2 ) 试验测温技术的完善 涂层刀具切削时，涂层材料的热物理特性和涂层工艺对切削温度分布有很重要的影 响。但涂层通常在岬级，要想获得可靠测量结果，必须有完善的测量手段。 ( 3 ) 涂层刀具切削温度的数值模拟技术的开发 目前，关于涂层刀具切削热、切削温度的研究主要依赖于试验，随着计算机发展， 运用数值解析的方法来研究涂层刀具温度场成为可能，但目| ； 尚未有好的应用程序来解 决这一问题，所以在这方面有待研究开发。 1 5 本课题的研究内容 本文着重研究了涂层刀具温度场，考察了涂层材料、涂层厚度、涂层结构对刀具温 度的影响，研究内容及方法如下： ( 1 ) 通过对刀具切削热产生机理及切削热分配的系统分析，建立了刀具切削温度 计算模型； ( 2 ) 运用边界元予域法对涂层刀具温度场进行数值模拟及结果分析，步骤如下： 在c o m p a q v i s u a l f o r t r a n v e r s i o n6 5 环境下，自行编制了求解涂层刀具温度的计 算机程序并通过算例验证了程序的可靠性； 合理设置边界条件； 计算涂层刀具基体一涂层界面上的温度分布； 分别比较涂层厚度、涂层材料、涂层结构对涂层的隔热作用的影响。 本文各章内容安排如下： 第一章：绪论。介绍课题的背景及研究意义，分析涂层刀具温度场的研究现状，提 出了尚待研究的问题，确定了本课题研究的内容和方法。 第二章：理论基础。主要就切削加工中的切削热产生的机理，切削温度的常用测量 方法，边界元法求解二维位势问题的理论及其公式作了简要叙述和推导。 第三章：涂层刀具二维稳态温度场的边界元解析。推导了适用于涂层刀具复杂结构 的边界元求解方法，编制了相应的f o r t r a n 源程序并用算例验证了程序的正确性。 西安理工大学硕士学位论文 第四章。涂层刀具二维稳态温度场的边界元计算结果分析。建立二维正交车削温度 场数学模型，分析模型的温度边界条件，给出了几种常见类型涂层材料的涂层一基体温 度分布曲线，比较涂层材料、厚度对涂层隔热作用的影响关系。 第五章。结论与展望。总结研究结果及需要继续研究解决的问题。 6 2 理论基础 2 理论基础 为了本文研究工作的顺利展开，有必要将有关理论基础作一简要介绍，主要包括以 下三个方面：切削热的产生、传热学基本原理及温度测试、二维稳态温度场的边界元解 析。 2 1 切削热的产生 金属切削过程中存弹性变形能和塑性变形能，弹性变形量以应变能的形式储存在 变形体中，在变形过程中，这部分能量并不消耗。塑性变形的能量转变为热而散逸。 金属切削中弹性变形的能量可以忽略不计，主要考虑塑性变形的能量。切削变形过程 存在三个塑性变形区，每个塑性变形区都是一个发热源，故切削区域共存在三个热源 ( 图2 1 ) 。这三部分热量的比例与切削厚度及工件材料有关。对塑性材料，如果切削 厚度较大而后刀面的磨损不大，则后刀面与已加工表面上的第三变形区的热量占的比 例最小，第一变形区的最大。对脆性材料，因为形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触 长度很小，故第二变形区的热量所占比例下降，而第三变形区的热量所占比例增加。 对一定的工件材料，三个变形区热量的比例与切削厚度有关，第一与第二变形区产生 的热量随切削厚度的增大而增大，而第三变形区则不变化，故随着切削厚度的增大， 第一变形区产生热量的比例增大而第三变形区却下降。本小节将从切削过程中消耗能 量的角度分析切削热的主要来源，为后续涂层刀具温度场模型边界条件的建立提供理论 依据。 硌： ： 图2 - 1 切削区的三个热源及热消散 f i g 2 一l z o n eo f h e a tg e n e r a t i o na n dh e a td i s s i p a t i o nd u r i n gt h em e t a lc u t t i n gp r o c e s s 2 1 1 切削消耗的能量 a 表面能虼 切削加工的目的是为了获得需要的零件尺寸和新表面。切削过程必须克服切屑与刀 具前刀面摩擦而作功，这都是原来目的以外作的功。假如这种多余的功不作，只作真正 需要最小限度的功，则把这种加工方法称为“理想加工法”，图2 2 所示为理想加工法， 加工后形成a 和a f 的两个新表面，其他任何变化也没有。因此，“理想加工法”所需最 7 西安理工大学硕士学位论文 小限度的功就是加工这种新表面的功。 ( a ) 加工前( b ) 加工后 图2 - 2 理想的去除加工法 f i g 2 - 2 i d e a lm a c h i n i n gm e t h o do f r e m o v a l b 剪切区的剪切变形能暇 切削钢等延展性材料而形成带状或挤裂切屑时，切削经历剪切变形。这种变形所需 要的剪切变形功，通常占切削所消耗总能量的一半以上。当产生带状切屑时，被加工材 料通过剪切区，因为反抗被加工材料的剪切变形应力龟而变形，剪应变为t s ，单位体积 的剪切变形功大体上等于f m 。当切削宽度b 、切削厚度h 、切削速度1 切削时，单位时 间切削区的剪切功为瞩l 。 形= l y , b h v ( 2 1 ) 厶切屑与前刀面的摩擦功哌 切屑在刀具前刀面上滑动而流出时的摩擦功矾，虽比上节中剪切区内的剪切功哌l 要小，但它与其它功相比还是比较大，这两种功往往占整个切削消耗能量的9 9 以上。 如图2 3 所示，假设切屑只在前刀面上滑过长度l c 后离开，并设摩擦应力为k 。 8 图2 3 切屑与前刀面界面上的摩擦 f i g 2 3 f r i c t i o no i lt h ei n t e r f a c eo f c h i pa n dr a k ef a c e 则摩擦力为l 山b ，单位时间的摩擦功为 w o = f c t o v 。 ( 2 2 ) 2 理论基础 式中：1 l ，切屑流动速度。 设切削速度为u ，切削厚度为h ，切屑厚度为l l c ，宽度方向没有变形，则 u 2 u 瓦h ( 2 3 ) 在切屑和刀具前刀面的接触面上所消耗的摩擦功，只占整个摩擦功的一部分，而摩 擦功的另一部分却消耗于切削内部称为二次滑移的塑性变形上。即在图2 3 中，所显示 的切屑在刃口附近时，大致呈直线的刻线，随着切屑在前刀面上一面摩擦一面滑动，刻 线就弯曲了。切屑在离开前刀面之前，假设由于二次滑移所致，其底层表面相对于切屑 本体来说存在6 c 的位移，那么底层表面在滑动接触l 。期间，切屑本体应该移动( 1 c + 6 。) 。 所以，在前刀面上切屑的平均速度1 ) ：可用下式表示： 1 ：2 赢。c q 4 因此，在前刀面上真正所消耗的功l ，可以用1 ：代替式( 2 3 ) 中的仇而得出下 式 肾去呒= 瓮 眨s ， 切屑内部二次滑移所消耗的功是与矾l 之差，即 昵z2 形一彤- 2 i 蠢睨 2 6 沿着刻线的弯曲状态就可以求得在切屑内部是以怎样的分布所消耗的，切削热 的产生也按睨2 的分布而分布在切屑内部。 d 后刀面的摩擦功昕 刀具后刀面磨损( 图2 - 4 a ) 或刀尖圆弧半径较大( 图2 - 4 b ) 时，刀具后刀面与已加 工表面之间发生摩擦。另外，一般切削中由于切削力的吃刀抗力而使剪切区被压下，刃 口刚刚滑过已加工表面时，加工表面因弹性恢复而上升，不管上升多少，都将与后刀面 发生摩擦，如图2 4 c 所示。 设后刀面与加工表面的接触长度为i f ，接触部分的平均摩擦应力为协则作用于接 触部分的摩擦力为t f l f b ，单位时间所消耗得摩擦功肜为 哆= 0 ，枷 ( 2 7 ) 从粘结痕迹和磨损痕迹可推断出后刀面的接触长度l f ，切削时间短时，l f 通常是前 刀面接触长度1 c 的十分之一以下。与前刀面相比，后刀面与加工表面的摩擦应力虽然小， 但有摩擦功存在，发热量不一定小，在实际生产中值得注意。总的来说，刃口锋利的刀 具，后刀面的摩擦功对整个切削功来说可忽略不计。 9 西安理工大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 - 4 后刀面磨损形式 f i g 2 - 4 v a r i o u sk i n d so f w e a ro nt h en a i 】kf a c e e 动能和弹性应变能以 在金属切削过程中，切屑需获得必须的动能以便沿前刀面以某种速度流出，对静止 的工件来说，刀具以速度1 ，进行切削时，假设切屑沿刀具前刀面以速度流出，切屑相 对工件来说，以1 ) 与u c 的合成速度魄在剪切面方向运动，u s 的大小可以用下式表示 1 ，：j ! ! 生1 ( 2 8 ) 5 s ( 矽一，) 单位时间产生的切屑量p b h u ( p 为被加工材料的密度) ，所以具有饥速度时的动能蹄k 为 = 1 2 ( p b h u ) u ：= 丢加h u 3 c o s t ( 2 9 ) 若将具体数值代入上式中，在一般的切削条件下，阡，m 值与整个切削功相比是非常小的。 1 0 2 理论基础 然而，切削功大致与切削速度1 成正比例的增大，如式( 2 9 ) 所示，切屑的动能与 1 ) 的三次方成正比例的增大。 工件、刀具和机床因切削力而产生弹性变形，存储的弹性应变能在切削后释放，这 个弹性应变能因不能有效地利用而变成无效功。 2 1 2 切削能分配 综上所述，用一般条件切削钢等延展性金属时，大致可以归纳为如下几点： ( 1 ) 切削所需要的整个能量的一半以上用于剪切区的剪切变形而形成切屑： ( 2 ) 剩余的大部分能量转化为切屑与前刀面上的摩擦功，且不全消耗在前刀面上， 部分消耗于切屑内部的二次滑移； ( 3 ) 后刀面在无明显磨损时，其摩擦功通常可忽略不计； ( 4 ) 已加工表面具有的表面能与整个切削能相比，可以忽略不计。 2 2 传热学基本原理及温度测量 2 2 1 温度场 表述某一时刻t 物体内温度的分布叫做温度场。温度场有稳态温度场和非稳态温度 场之分，不随时间改变时，称为稳态温度场，反之则为非稳态温度场。热量传递的过程 分为稳态过程和非稳态过程两大类，凡是物体中各点温度不随时间改变的热传递过程， 均称为稳态热传递过程，反之称为非稳态热传递过程。 2 2 2 热量传递的三种方式 热量传递有三种基本方式，即传导、对流、辐射，但其热量传递的物理本质却是不 同的。 热传导是直接接触的物体各部分间的热量传递现象。热传导多发生在固体或液体 中。 对流是指流体内部各部分发生相对位移而引起的热量转移现象。在工程实践中常遇 到的并非在流体内部进行的纯粹热对流，而是流体掠过物体壁面时由于温度差引起的热 量交换，这种壁面与流体之间的热交换现象，称为对流换热。 由物体表面直接向外界发出可见和不可见射线，在空间传递热量的现象称为热辐 射。热辐射是一种非接触式的能量传递方式。在工程实践中，常遇到物体问的相互热辐 射，最终热量会从温度较高的物体转移到温度较低的物体。 热量传递往往不是以传导、对流、辐射三种基本方式中的任一单独形式出现，而是 伴随着两种或两种以上的复杂混合形式出现。 2 2 3 热量传递的基本定律 ( 1 ) 传导换热 导热的基本定律为傅立叶( f o u r i e r ) 定律。单位时间内通过单位截面积所传递的热 西安理工大学硕士学位论文 量正比于该截面法线方向上的温度梯度，即： 吼= 一五： ( 2 1 0 ) 式中：g ，广- x 方向上单位截面积的热流密度( w m 2 ) ； a 、o t o x 意义同上： “一”号表示传热的方向和温度梯度的方向相反。 ( 2 ) 对流换热 对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式： 吼；h a t ( 2 1 1 ) 式中：g i r 七方向上的热流密度( w m 2 ) ： t ，、t 广一流体温度和物体表面温度； a t = - l 矿死l ，1 l 流体温度和物体表面温度差，l - i ：；例系数h 称为对流换热系数， 单位是w ( m 2 ) 。 ( 3 ) 辐射换热 热辐射的一个最重要的基本定律是斯蒂芬一波尔兹曼( s t e f a n - b o l t z m a n n ) 定律： g ，= 甜( ，一巧 ( 2 1 2 ) 式中：q r 辐射换热的热流密度( w m 2 ) ； 8 一工件表面辐射率： o - - s t e f a n - b o l t z m a n n 常数，其值为5 7 6 8 x 1 0 ( w ( m 2 k 1 ) 。 2 2 4 热传递方程 ( 1 ) 直角坐标系下的热传导方程 蚂詈= 丢c 旯争+ 昙c 五争+ 昙c 2 鼍，+ q c z ， 式中：c r 比热5 q 内热源强度； 卜时间； p 、九、t 意义同上。 ( 2 ) 柱坐标系下的热传导方程 p q 詈= 7 1 石0 ( 以詈) + 土r ：旦o r ( 名著+ 妄( 五署) + q(2“),o ( 3 ) 球坐标系下的热传导方程 p c ，詈= 吉昙c 瑚争+ 击品c 五嚣，+