涂层刀具切削热传导和切削温度的研究

发布时间：2018-04-13 05:48

本文选题：涂层刀具 + 热分配　；参考：《山东大学》2017年博士论文

【摘要】：随着先进刀具技术的迅速发展,高性能的涂层刀具已经成为现代刀具的标志。采用先进的刀具涂层可以提高刀具表面的耐磨性和耐热性、并降低摩擦系数,从而减少刀具磨损,延长刀具寿命。切削过程中涂层对切削热的产生和刀具温度分布具有重要影响,特别是在切削热向涂层刀具体内传导过程中涂层起到明显的阻碍作用。但由于金属切削过程的非线性和热力耦合的复杂特性,对涂层刀具切削热传导机理目前尚未深入理解和认识。因此研究涂层刀具切削热传导,揭示刀具涂层在切削热传导中的作用和传热机理,不仅能够精确预测和控制涂层刀具切削温度,有助于降低刀具磨损,延长涂层刀具寿命,而且可以为刀具涂层材料开发和涂层刀具设计等提供理论基础。以单层涂层(TiN、TiAlN和A1203三种常用刀具涂层)刀具和多层涂层刀具加工H13淬硬钢为研究对象,通过理论分析、有限元仿真和切削实验等方法对涂层刀具的切削热分配和热传导机理展开研究,探讨塑性剪切变形热源和刀-屑摩擦热源作用下的涂层刀具前刀面温度场和涂层刀具内部温度场,阐明刀具涂层材料和涂层厚度对切削热分配和热传导的影响规律。对刀具涂层进行显微结构观察和性能测试分析。对刀具涂层断面的微观形貌进行观察,并对刀具涂层成分进行测试分析;通过摩擦实验获取刀具涂层材料和H13钢的常温和高温摩擦系数;并对刀具涂层材料导热系数进行理论推导,揭示涂层的尺度效应对其导热性能的影响。根据涂层刀具的特点,对涂层刀具切削热分配和前刀面温度进行研究。基于切削热分配模型并考虑刀具表面涂层特点,结合有限元仿真定量计算了不同切削速度下涂层刀具的切削热分配系数,揭示了涂层刀具切削热分配系数的变化规律以及刀具涂层材料和涂层厚度对切削热分配的影响规律。建立了剪切变形热源作用下和刀-屑摩擦热源作用下涂层刀具的前刀面温度模型,获得了涂层刀具前刀面温度场,并分析切削速度和刀具涂层材料对前刀面温度场的影响规律。研究结果表明:刀具涂层材料的热物理性能对切削热分配系数和前刀面温度的影响较大;前刀面热分配系数与工件材料和刀具涂层材料的热物理性能有关,刀具涂层的导热系数越大,前刀面热分配系数小,传入刀具的切削热越多。单层涂层刀具前刀面温度的分布规律为:沿着刀-屑接触区从刀尖点至刀-屑分离点逐步升高,温度在刀-屑分离点处达到最高值,随后呈现迅速下降的趋势。涂层刀具前刀面温度随着刀具涂层材料与工件材料间摩擦系数的增大而升高。在对涂层刀具热分配研究的基础上,研究涂层刀具切削热传导和切削温度,以及涂层刀具切削温度的影响因素及其变化规律,揭示刀具涂层材料和涂层厚度对涂层刀具切削温度分布的影响规律。分别基于傅里叶热传导理论和非傅里叶热传导理论建立了单层涂层刀具稳态和瞬态热传导模型,并获得单层涂层刀具稳态切削温度和瞬态切削温度,研究不同涂层刀具的切削温度分布规律,分析涂层刀具切削温度分布的影响因素。探讨了傅里叶热传导模型和非傅里叶热传导模型在切削热传导中的适用范围。在切削时间较长时,切削热传导达到稳态阶段,傅里叶热传导模型具有足够的精度;当切削热传导为瞬态时,通过非傅里叶热传导方程建立热传导模型更为适用,可用于描述瞬态热传导中的由于热冲击而发生的热传导延迟现象。结果表明:刀具涂层材料和涂层厚度对刀具体温度有影响;刀具涂层材料的导热系数越小则涂层刀具稳态切削温度越低;刀具涂层材料的热扩散系数越小则涂层刀具瞬态切削温度越低;随着刀具涂层厚度的增加切削温度降低明显,切削时间越长,刀具涂层厚度在切削热传导降低切削温度的作用越明显。在单层涂层刀具研究的基础上,对多层涂层刀具切削热传导展开研究。采用等效法将多层涂层刀具等效为单层复合涂层刀具,获得等效单层复合涂层的导热系数、等效热容和等效热扩散系数;利用单层涂层刀具前刀面温度模型和切削热传导模型,对等效单层复合涂层刀具进行了前刀面温度和切削温度的计算。结合有限元方法对多层涂层刀具和等效单层复合涂层刀具的前刀面温度和切削温度分布进行了仿真,并进行了实验验证。研究结果表明:将多层涂层刀具等效为单层复合涂层刀具适用于切削热和切削温度的研究,与切削实验相比,误差控制在10%以内。本课题得到国家自然科学基金"高速硬铣削加工多层多元纳米复合涂层刀具及其切削性能研究(U1201245)"和"高档数控机床与基础制造装备"国家科技重大专项"精密工具创新能力平台建设(2015ZX04005008)"的资助。
[Abstract]:With the rapid development of advanced cutting tool technology , high - performance coating tools have become the hallmark of modern tools . The results show that the lower the thermal diffusivity of the tool coating material , the lower the cutting temperature of the coating cutter , the lower the thermal diffusivity of the tool coating material , the lower the cutting time of the coating tool .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG711

【参考文献】