H13鋼系美國AISI/SAE標(biāo)準(zhǔn)鋼材牌號，相當(dāng)于國產(chǎn)4Cr5MoSiV1，屬鉻鉬類熱作模具鋼。由于其具有良好的強化性能、熱疲勞性能及綜合力學(xué)性能，目前廣泛應(yīng)用在各類熱加工模具以及各種對硬度和耐磨度要求較高的基礎(chǔ)零件中。
在模具制造過程中，切削加工對于提高加工效率，獲得理想的表面質(zhì)量具有重要意義。而淬硬H13模具鋼硬度可達(dá)47-55HRC，其切削加工具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重的特點，屬于難加工材料的一種。涂層刀具具有表面硬度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，可提高刀具壽命3-5倍以上，提高切削速度20%-70%，提高加工精度0.1-1級。因此，利用涂層刀具切削加工淬硬H13模具鋼，可以提高加工效率、獲得良好的加工質(zhì)量。在常用的刀具涂層材料中，TiC涂層具有較高的硬度，耐磨性較好，與基體附著牢固，在制備多層耐磨涂層時，常將TiC作為與基體接觸的底層膜，在涂層刀具中是常用的涂層材料。
TiN涂層刀具具有硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、與鋼等材料的熱膨脹系數(shù)相近等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于超強鋼等難加工材料的切削加工。TiAlN三元單層構(gòu)型涂層中增加的鋁含量，在切削時涂層表面會生成一層很薄的非晶態(tài)Al2O3，形成一層硬質(zhì)惰性保護膜，可以提高涂層的抗氧化性。Al2O3涂層則具有優(yōu)良的耐磨、耐蝕、隔熱等綜合性能，能夠提高硬質(zhì)合金刀具表面硬度，有效降低刀具工作溫度。
在金屬切削中，切削力、切削溫度和已加工表面質(zhì)量是衡量刀具切削性能的主要指標(biāo)。硬質(zhì)合金刀具表面的涂層對切削力和刀具切削熱量的產(chǎn)生有很大的影響。本文采用基于Lagrangian算法的有限元仿真軟件模擬涂層刀具切削加工淬硬H13鋼，分析涂層刀具的切削性能，研究涂層材質(zhì)(TiC\TiN\TiAlN\Al2O3)和切削速度對切削過程的影響，以期為實際切削加工提供參照。
1 本構(gòu)模型及參數(shù)
仿真軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的Third wave Advantedge金屬切削仿真軟件，作為基于材料物性的有限元仿真軟件，在仿真過程中材料附著在網(wǎng)格上，在計算過程中材料隨著網(wǎng)格一起動，同時具備網(wǎng)格自動重劃分技術(shù)以保證計算精度，其仿真結(jié)果可為實際加工提供一定的理論依據(jù)。
在金屬切削過程中，工件材料在受到高溫、高壓、高應(yīng)變率的作用下發(fā)生彈塑性變形，因此在仿真過程中需要綜合各因素對工件材料變形的影響。采用軟件自帶的Power Law本構(gòu)模型來定義材料屬性，其表達(dá)式為
其中，當(dāng) ，有
當(dāng) ，有
當(dāng)，有
當(dāng) ，有
當(dāng) ，有
當(dāng) ，有
式中，分別為初始屈服應(yīng)力、塑性應(yīng)變、參考塑性應(yīng)變、應(yīng)變硬化指數(shù)；c0-c5為5項多項式的系數(shù)；T、Tcut、Tmelt分別為溫度、線性剪切溫度、熔化溫度； 分別為應(yīng)變率、參考應(yīng)變率、過度應(yīng)變率；m1、m2分別為低應(yīng)變率敏感性系數(shù)和高應(yīng)變率敏感性系數(shù)。
基于Advantedge軟件建立的仿真幾何模型見圖1。刀具和工件的相對速度定義為切削速度v，刀具的幾何參數(shù)有前角、后角和切削刃圓弧半徑。如圖1所示，在正交切削時，切削參數(shù)中進(jìn)給量f實為切削深度。為研究刀具涂層材質(zhì)、涂層厚度和切削參數(shù)對涂層刀具切削性能的影響，選取不同的涂層材質(zhì)、涂層厚度和切削速度。具體涂層刀具參數(shù)和切削參數(shù)見表1。
圖1 仿真幾何模型
表1 涂層刀具參數(shù)及切削參數(shù)
工件材料選軟件自帶的淬硬H13鋼(硬度為53HRC)，設(shè)置仿真的初始條件為工件固定，初始溫度20℃，干切削。刀具以切削速度v從工件右側(cè)向左側(cè)運動，隨著切削的進(jìn)行，切屑開始形成(見圖2a)，并最終形成彎曲的完整切屑(見圖2b)。
(a)切屑形成初期
(b)完整的切屑形成
圖2 切屑的形成過程
2 仿真結(jié)果及分析
按照表1的涂層刀具參數(shù)和切削參數(shù)進(jìn)行仿真計算，并在Advantedge自帶的數(shù)據(jù)分析和后處理軟件Tecplot中進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)分析。獲取切削過程中的切削力、切削溫度及已加工表面應(yīng)變，分析涂層材質(zhì)和切削速度對涂層刀具切削性能的影響。
(1)切削力分析
經(jīng)過仿真分析獲取得到的切削力曲線如圖3所示，X方向為切削運動方向，Y方向為垂直于工件待加工表面方向?？梢奨方向的切削力Fx明顯大于Y方向的切削力Fy，這是由于沿X方向為切削運動中的主切削力，消耗了大部分切削功。圖3中切削運動初期切削力急劇上升，達(dá)到峰值后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于在切削運動初期，刀具切削刃逐漸擠壓工件材料(見圖2a)，工件材料由彈性變形發(fā)展到塑性變形，切削力逐漸變大。當(dāng)工件材料發(fā)生分離，即形成切屑時(見圖2b)所需切削功率有所降低，最終隨著切屑的連續(xù)形成切削力趨于穩(wěn)定。
圖3 TiN涂層刀具切削力曲線(切削速度v=300m/min)
圖4為不同涂層材質(zhì)刀具在相同切削條件下獲取的切削力，其中切削合力。由圖4可見，在相同切削條件下，TiAlN涂層刀具的切削力最小，Al2O3涂層刀具的切削力最大。在相同切削條件下，對比TiN和TiAlN涂層刀具的切削力可以看出，TiAlN涂層刀具切削力略低于TiN涂層刀具，由此可以推斷出在涂層中加入Al元素可以降低切削力，具有減摩的作用。TiC涂層刀具的切削力大于TiN和TiAlN涂層刀具，說明其減摩作用略差于TiN和TiAlN涂層。
圖4 涂層材質(zhì)對切削力的影響
切削速度對切削力的影響如圖5所示。切削速度依次選取為100、300、500、700m/min，隨著切削速度的增加，切削力Fy變化趨勢不明顯，而切削力Fx則逐漸增大；切削合力F∑也隨著切削速度的增加而增大。隨著切削速度的提高，工件材料塑性變形的應(yīng)變率越來越大，刀—工摩擦力也不斷增大，引起切削力的增大。
圖5 切削速度對切削力的影響(TiN涂層)
(2)切削溫度分析
切削過程中，材料的塑性變形能和摩擦功轉(zhuǎn)化為熱而引起切屑、刀具和工件溫度升高。切削溫度的變化能反映切屑負(fù)載的大小以及刀具與切屑、刀具與工件的摩擦狀態(tài)，對刀具磨損或破損進(jìn)程以及加工表面質(zhì)量高低有直接而顯著的影響。切削溫度研究方法有：數(shù)學(xué)解析法、試驗法、數(shù)值法、混合法和熱源法。目前，通過切削試驗測量切削溫度常用的方法有熱電偶法和紅外法。采用熱電偶可以獲取刀具或者工件體內(nèi)某一特定點的溫度，但是由于熱電偶的響應(yīng)速率較低，且熱電偶探頭和被測物體之間存在熱交換損失，因此熱電偶測量切削溫度具有滯后性和測量溫度值偏低的缺點，需進(jìn)一步結(jié)合熱電偶特性和熱損失情況對測量結(jié)果進(jìn)行反求。采用紅外法獲取的是整個切削區(qū)外表面的溫度，如需測量刀具或工件體內(nèi)的溫度，仍需反求。且由于目前紅外熱像儀的分辨率不高，采樣頻率低限制了紅外法在高速切削中的運用。
利用有限元方法仿真分析切削溫度場能彌補切削溫度測量中的不足，可獲取切削過程中任一階段的刀具和工件溫度場。圖6為不同涂層材質(zhì)的刀具在相同切削參數(shù)下獲取的前刀面最高溫度值。由圖可見，在切削過程中，4種涂層刀具的前刀面最高溫度均大于1000℃，其中Al2O3涂層刀具前刀面的最高溫度可達(dá)1215℃，TiAlN涂層刀具的前刀面最高溫度最低為1157℃。刀具涂層材質(zhì)對切削溫度的影響規(guī)律與對切削力的影響規(guī)律類似，較高的切削力將導(dǎo)致較高的切削溫度產(chǎn)生。
圖6 涂層材質(zhì)對切削溫度的影響
如圖7所示，切削速度對切削溫度的影響也比較明顯，隨著切削速度的提高，切削溫度逐漸增加。提高切削速度，材料塑性變形速率加快，引起刀—工摩擦力增大，導(dǎo)致切削溫度升高。
圖7 切削速度對切削溫度的影響(TiN涂層刀具)
(3)已加工表面塑性變形分析
在切削過程中，由于切削刀具的切削刃有一定的圓弧半徑(0.02mm)，故在切削刃前端存在犁切力的作用。犁切力將被加工材料壓入工件已加工表面，從而加劇工件已加工表面的塑性變形。為研究涂層材質(zhì)和切削速度對工件已加工表面塑性變形的影響，讀取工件已加工表面的應(yīng)變值，對比分析涂層材質(zhì)和切削速度對已加工表面應(yīng)變的影響規(guī)律。
圖8為涂層材質(zhì)對已加工表面應(yīng)變的影響?？梢?，TiN涂層刀具對已加工表面的塑性變形影響最大，產(chǎn)生的應(yīng)變值為1.33；Al2O3涂層刀具對已加工表面的塑性變形影響相對較小，產(chǎn)生的應(yīng)變值為0.83；較大的應(yīng)變值反映出工件已加工表面發(fā)生了較為劇烈的塑性變形，進(jìn)而推斷出已加工表面存在較大的殘余應(yīng)力。
圖8 涂層材質(zhì)對已加工表面應(yīng)變的影響
如圖9所示，通過切削速度對工件已加工表面應(yīng)變的影響曲線可以看出，隨著切削速度的提高，工件已加工表面應(yīng)變值逐漸增大。這是由于隨著切削速度的提高，刀具與工件表面之間的作用力增大，加劇了工件表面的塑性變形。另外，隨著切削速度的提高，刀具后刀面與工件已加工表面之間的摩擦力也增大，在一定程度上加劇了工件表面的塑性變形，產(chǎn)生了較大的應(yīng)變值。
圖9 切削速度對工件已加工表面的影響
小結(jié)
采用4種不同材質(zhì)的涂層刀具對淬硬H13模具鋼進(jìn)行切削加工仿真研究，分析了切削速度對涂層刀具切削性能的影響，結(jié)論如下：
(1)在相同切削條件下，TiAlN涂層刀具的切削力最小，Al2O3涂層刀具的切削力最大；TiAlN涂層刀具的切削溫度最小，Al2O3涂層刀具的切削溫度最大。從切削力和切削溫度兩個方面考慮，TiAlN涂層刀具的切削性能最優(yōu)。
(2)同一涂層刀具在切削H13模具鋼時，隨著切削速度的提高，切削力和切削溫度不斷增加，工件已加工表面的塑性變形也逐漸增大。
(3)在相同切削條件下，TiN涂層刀具引起的工件已加工表面塑性變形最為嚴(yán)重，Al2O3涂層刀具引起的已加工表面塑性變形最小。
原載《工具技術(shù)》 作者：杜勁
