施加TiC涂層材料的微織構刀具切削AISI1045的研究

蔣煜，王大中，毛蔚

（201600 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

由于鋼材料的低熱傳導性和硬度高的特性，普通刀具切削加工鋼材料極易造成嚴重的刀具磨損，刀具磨損會使表面加工質量變差。為解決上述問題，技術人員通過在刀具上加工微織構提高表面質量、降低刀具磨損。微織構刀具切削加工時的熱損傷更小，有利于避免切削加工AISI1045 時刀具失效[1]。Sarvesh[2-3]分別對比分析了微量潤滑和刀具涂層對微織構刀具與普通刀具的切削影響；Kashfull 研究了前刀面三種幾何形態的微織構（垂直微織構、水平微織構以及橢圓微織構）對切削過程的影響[4]。結果表明，具有微織構結構的刀具相比沒有微織構結構的普通刀具能夠大大降低切削力、刀-屑接觸摩擦系數以及增大剪切角[5-6]。

1 材料基本參數及有限元建模

本文采用有限元分析軟件對車削過程進行建模，工件材料采用AISI1045，刀具材料采用硬質合金材料，采用三角車刀模型，刀片厚度為2 mm。該刀具模型在前刀面加入了圓坑型的微織構，切削速度1 200 r/min,背吃刀量為1 mm。有限元的車刀模型如圖1 所示。

圖1 有限元車刀模型Fig.1 Finite element turning tool model

AISI1045 作為鋼材料，具備極好的可切削性能和高硬度，在建設工程和機械設備中被廣泛使用，因此加工AISI1045 是不可或缺的一項工作。表1列出了AISI1045 材料的主要力學性能，并將該材料作為被加工的工件，進行了研究。

表1 AISI1045 材料的主要力學性能[7]Tab.1 Main mechanical properties of AISI1045 material

2 切削過程中的理論分析

把切削過程簡化為二維切削過程，并把所有力都畫在切削刃前方，可以得出圖2 所示的各力的關系。圖2 中：Fr——Fn和Ff的合力；Fz——切削分力；Fv——與運動方向垂直的切削分力。各力的計算分別如式（1）—式（4）所示。

圖2 切削時力與角度的關系Fig.2 Relationship between force and angle in cutting

3 微織構刀具與施加涂層的微織構刀具的切削性能對比

3.1 等效應力的對比

范式等效應力，是一種屈服準則,屈服準則的值我們通常叫等效應力。一般材料在外力作用下產生塑性變形，以流動形式破壞時，應該采用第三或第四強度理論。

本文中將微織構刀具與施加TiC 涂層的微織構刀具分別切削AISI1045，得出了相應的模擬結果，其中等效應力的云圖如圖3 所示。圖3（a）為普通微織構刀具的等效應力云圖，圖3（b）為施加涂層后的等效應力云圖。由圖3 可見，施加TiC 涂層的微織構刀具在切削加工中的等效應力有顯著的降低，由原來的2 250 MPa 降低至1 960 MPa，降低了12.9%，對加工過程的影響顯著。

圖3 微織構刀具與施加TiC 涂層的微織構刀具切削AISI1045 的等效應力云圖Fig.3 Equivalent stress nephogram of micro textured tool and micro textured tool with TiC coating cutting AISI1045

3.2 切削力的對比

圖4 是2 種刀具在X、Y、Z 三個方向上所受載荷，明顯看出施加涂層后的微織構刀具所受載荷顯著降低。可得：可以得出結論：施加TiC 涂層的微織構刀具切削力整體要比普通的微織構刀具低很多。

圖4 微織構刀具與施加TiC 涂層的微織構刀具3 個方向所受載荷圖Fig.4 Load diagram of micro textured tool and micro textured tool with TiC coating in three directions

3.3 切削溫度的對比

微織構刀具與施加TiC 涂層的微織構刀具切削AISI1045 的溫度云圖如圖5 所示。

圖5 微織構刀具與施加TiC 涂層的微織構刀具切削AISI1045 的溫度云圖Fig.5 Temperature nephogram of AISI1045 cut by micro textured tool and micro textured tool with TiC coating

圖5（a）為硬質合金微織構刀具切削AISI1045 的溫度云圖，圖5（b）為施加TiC 涂層的微織構刀具切削AISI1045 的溫度云圖。由圖5可以看出，施加涂層后，溫度也有所降低，最高溫度從1 100℃降低到1 050℃，說明涂層刀具對溫度的降低也有作用。

4 結語

通過給微織構刀具施加TiC 涂層材料并進行仿真得出結論：（1）施加涂層后的刀具在切削AISI1045 材料后的等效應力有顯著降低；（2）施加涂層后的刀具在切削AISI1045 材料與普通微織構刀具相比，切削力有明顯降低。（3）施加涂層后的刀具在切削AISI1045 材料與普通微織構刀具相比，切削溫度略有下降。

總體而言，在微織構刀具表面添加涂層材料能夠有效地改善切削性能，提升刀具壽命。