基于ANSYS的高速切削涂層刀具仿真分析

周凱楊

摘要：針對含有缺陷的涂層刀具，利用ANSYS軟件建立其切削過程的三維仿真模型，詳細分析了缺陷的尺寸（長度、寬度、深度）對刀具溫度變化的影響，為刀具缺陷的檢測提供理論依據。

關鍵詞：涂層刀具 DEFORM 高速切削 有限元模擬

1 概述

刀具是切削加工不可或缺的重要工具，刀具性能的優劣直接影響著整個工作母機的生產效率、加工精度以及產品的質量。涂層技術是為了改善高速切削加工中的高熱量引起刀具的彈塑性形變，提高高度的使用壽命。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。

在涂層刀具帶來的上述優點的同時，它會帶來刀具缺陷檢測帶來一定的難度。為此，本文通過ANSYS對含有缺陷的涂層刀具進行有限元建模，并對刀具涂層的尺寸（長度、寬度及深度）對刀具溫度的影響進行詳細分析，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 有缺陷涂層刀具溫度場仿真實例

刀具在生產加工中將會受到沖擊、振動等使其產生缺陷，這將會降低產品的加工質量和生產效率，甚至威脅到生產的安全，因此，刀具缺陷的實時檢測是必不可少的，尤其對于加工精度高的產品來說更為重要。本文首先用DEFORM對切削過程進行有限元的建模與求解，然后將得到的溫度場數據來簡化邊界條件，使用ANSYS進行給定熱源的有限元建模。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。通過ANSYS軟件來建立大塑性變形下的切削模型，生成FEM模型，再通過對FEM模型的分析以得到刀具溫度的分布情況。

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，圖1給出了DEFORM中工件和刀具的有限元模型及刀具的溫度場分布情況。②根據刀具的尺寸建立其幾何模型，并導入ANSYS，進行網格劃分。③確定熱邊界條件。④根據上述步驟，運行ANSYS得到仿真結果。

2.2 結果分析

①缺陷長度對刀具溫度的影響 仿真中，假設刀具缺陷的寬度和深度為0.12mm×0.18mm，其深度分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm時涂層刀具的溫度場如圖2（a）所示。

由圖2（a）可知，在保持缺陷寬度和深度不變的情況下，缺陷越長，缺陷靠近刀尖一側表面溫度越高。

表1給出了在保證缺陷寬度和深度不變的情況下，不同缺陷長度時刀具的最高溫度。表1表明：刀具的最高溫度隨著缺陷長度的增加而升高。

②缺陷深度對刀具溫度的影響 缺陷寬度和長度為0.12mm×0.3mm，其深度分別為0.03mm、0.09mm和0.15mm時涂層刀具的溫度場如圖2（b）所示。可知，缺陷寬度和深度恒定，無缺陷刀具在靠近刀尖位置時的表面溫度高于有缺陷時的溫度，且其表面溫度隨著缺陷深度的增加而升高。

表2對比了存在缺陷時刀具的最高溫度隨著缺陷深度的變化情況。可知，有缺陷時刀具的最高溫度隨著缺陷深度的增加而升高。

缺陷的寬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，僅總結出其變化規律。

規律如下：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

本文通過DEFORM和ANSYS對刀具在有無缺陷的溫度場進行有限元建模仿真，并詳細給出了刀具的表面溫度和最高溫度隨缺陷寬度、深度及長度的變化規律。為在實際應用中進行涂層刀具的缺陷檢測技術提供一定的理論依據。

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