H13鋼系美國AISI/SAE標(biāo)準(zhǔn)鋼材牌號，相當(dāng)于國產(chǎn)4Cr5MoSiV1.鉻鉬熱作模具鋼。由于其良好的強(qiáng)化性能、熱疲勞性能和綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各種熱加工模具和對硬度和耐磨性要求較高的各種基礎(chǔ)部件。

在模具制造過程中，切削對提高加工效率，獲得理想的表面質(zhì)量具有重要意義。H13模具的鋼硬度可達(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(diǎn)，是一種難加工材料。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、導(dǎo)熱性低等特點(diǎn)，可提高刀具使用壽命3-5倍以上，切削速度20%-70%，加工精度0.1-1級。因此，涂層刀具用于切割和硬化H13模具鋼，能提高加工效率，獲得良好的加工質(zhì)量。在常用的刀具涂層材料中，TiC涂層硬度高，耐磨性好，與基體附著牢固。制備多層耐磨涂層時(shí)，通常會TiC涂層工具中常用的涂層材料是與基體接觸的底層膜。

TiN涂層刀具具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)與鋼等材料相似等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于超強(qiáng)鋼等難加工材料的切割加工。TiAlN在切割過程中，涂層表面會產(chǎn)生一層非晶體薄層Al2O3.形成硬惰性保護(hù)膜，可提高涂層的抗氧化性。Al2O3.涂層具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、隔熱等綜合性能，可提高硬質(zhì)合金刀具的表面硬度，有效降低刀具的工作溫度。

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有限元仿真軟件模擬涂層刀具的切削加工H13鋼，分析涂層工具的切割性能，研究涂層材料(TiC\\TiN\\TiAlN\\Al2O3)以及切削速度對切削過程的影響，為實(shí)際切削加工提供參考。

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)Third wave Advantedge金屬切割模擬軟件作為一種基于材料性質(zhì)的有限元模擬軟件，在模擬過程中附著在網(wǎng)格上。在計(jì)算過程中，材料與網(wǎng)格一起移動(dòng)，并具有網(wǎng)格自動(dòng)重新劃分技術(shù)，以確保計(jì)算精度。其模擬結(jié)果可以為實(shí)際加工提供一定的理論依據(jù)。

在金屬切割過程中，工件材料在高溫、高壓、高應(yīng)變率的作用下發(fā)生彈性變形，因此在模擬過程中需要綜合各種因素對工件材料變形的影響。使用軟件Power Law材料屬性由本構(gòu)模型定義，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

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-c五項(xiàng)多項(xiàng)系數(shù)；T、Tcut、Tmelt溫度、線性剪切溫度、熔化溫度； 應(yīng)變率、參考應(yīng)變率、過度應(yīng)變率；m1、m二是低應(yīng)變率敏感系數(shù)和高應(yīng)變率敏感系數(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割速度v，刀具的幾何參數(shù)包括前角、后角和切削刃的圓弧半徑。如圖1所示，在正交切削時(shí)，切削參數(shù)中的進(jìn)給量f實(shí)際上是切割深度。選擇不同的涂層材料、涂層厚度和切參數(shù)對涂層工具切割性能的影響，選擇不同的涂層材料、涂層厚度和切割速度。具體的涂層工具參數(shù)和切割參數(shù)見表1。

圖1 模擬幾何模型

表1 涂層工具參數(shù)及切削參數(shù)

工件材料選擇軟件自帶的硬化H13鋼(硬度為53HRC)，模擬的初始條件是固定工件，初始溫度為20℃，干切削。刀具以切削速度。v從工件右側(cè)向左移動(dòng)，切屑開始形成(見圖2a)，并最終形成完整的彎曲切屑(見圖2b)。

(a)切屑形成初期

(b)形成完整的切屑

圖2 切屑的形成過程

2 模擬結(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(jì)算，并在Advantedge自帶數(shù)據(jù)分析和后處理軟件Tecplot結(jié)果數(shù)據(jù)分析。在切削過程中獲得切削力、切削溫度和加工表面應(yīng)變，分析涂層材料和切削速度對涂層工具切削性能的影響。

(1)切削力分析

模擬分析獲得的切削力曲線如圖3所示，X方向是切割運(yùn)動(dòng)方向，Y方向垂直于待加工工件的表面。X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方向是切削運(yùn)動(dòng)中的主切削力，消耗了大部分切削技能。圖3顯示，切削運(yùn)動(dòng)初期切削力急劇上升，達(dá)到峰值后逐漸穩(wěn)定。這是因?yàn)榈毒咔邢魅性谇邢鬟\(yùn)動(dòng)初期逐漸擠壓工件材料(見圖2a)，工件材料由彈性變形發(fā)展為塑性變形，切削力逐漸增大。當(dāng)工件材料分離時(shí)(見圖2b)隨著切屑的持續(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是不同涂層材料刀具在相同切削條件下獲得的切削力，其中切削合力。圖4顯示，在相同的切削條件下，TiAlN涂層刀具的切削力最小，Al2O3.涂層刀具的切削力最大。在相同的切削條件下，比較TiN和TiAlN可見涂層刀具的切削力，TiAlN涂層刀具的切削力略低于涂層刀具TiN可以推斷涂層刀具是在涂層中添加的Al元素能降低切削力，減摩。TiC涂層刀具的切削力大于TiN和TiAlN涂層刀具表明其減摩效果略差TiN和TiAlN涂層。

圖4 涂層材料對切削力的影響

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，切削力不明顯Fx逐漸增加；切削合力；F∑也隨著切削速度的增加而增加。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，刀工摩擦力也在增加，導(dǎo)致切削力的增加。

圖5 切削速度對切削力的影響(TiN涂層)

(2)切割溫度分析

在切割過程中，材料的塑性變形能和摩擦轉(zhuǎn)化為熱，導(dǎo)致切屑、刀具和工件的溫度升高。切割溫度的變化可以反映切屑負(fù)荷的大小以及刀具與切屑、刀具與工件之間的摩擦狀態(tài)，直接而顯著地影響刀具的磨損或損壞過程和加工表面的質(zhì)量。切割溫度的研究方法包括：數(shù)學(xué)分析、試驗(yàn)、數(shù)值、混合和熱源。目前，常用的切割溫度測量方法有熱電偶和紅外法。熱電偶可以在工具或工件中獲得特定點(diǎn)的溫度，但由于熱電偶的響應(yīng)速率低，熱電偶探頭與被測物體之間存在熱交換損失，因此熱電偶測量切割溫度滯后，測量溫度值低，需要進(jìn)一步結(jié)合熱電偶的特點(diǎn)和熱損失對測量結(jié)果進(jìn)行反應(yīng)。紅外法獲得了整個(gè)切割區(qū)域外表面的溫度。如果需要測量工具或工件中的溫度，則仍需反向要求。由于目前紅外熱像儀分辨率低，采樣頻率低限制了紅外法在高速切割中的應(yīng)用。

利用有限元模擬分析切削溫度場可以彌補(bǔ)切削溫度測量的不足，在切削過程中可以獲得刀具和工件的任何階段的溫度場。圖6顯示了不同涂層材料在相同切削參數(shù)下獲得的前刀面的最高溫度值。從圖中可以看出，在切削過程中，四種涂層工具的最高溫度大于1萬℃，其中Al2O涂層刀具前刀面最高溫度可達(dá)1215℃，TiAlN涂層溫度為1157℃。刀具涂層材料對切削溫度的影響與對切削力的影響相似，較高的切削力會導(dǎo)致較高的切削溫度。

圖6 涂層材料對切削溫度的影響

如圖7所示，切削速度對切削溫度的影響也很明顯，隨著切削速度的提高，切削溫度逐漸升高。提高切削速度，加快材料塑性變形速率，增加刀-工摩擦，提高切削溫度。

圖7 切削速度對切削溫度的影響(TiN涂層刀具)

(3)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是涂層材料對加工表面應(yīng)變的影響。TiN涂層工具對加工表面的塑性變形影響最大，應(yīng)變值為1.33；Al2O3涂層工具對加工表面的塑性變形影響較小，應(yīng)變值為0.83；較大的應(yīng)變值反映了工件加工表面的劇烈塑性變形，從而推斷了加工表面的殘余應(yīng)力較大。

圖8 涂層材料對加工表面應(yīng)變的影響

如圖9所示，從切削速度對工件表面應(yīng)變的影響曲線可以看出，隨著切削速度的提高，工件表面應(yīng)變值逐漸增加。這是因?yàn)殡S著切割速度的提高，工具和工件表面之間的力增加，加劇了工件表面的塑性變形。此外，隨著切割速度的提高，刀具后面的摩擦也增加了，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 切削速度對工件加工表面的影響

小結(jié)

使用4種不同材料的涂層工具進(jìn)行硬化H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。考慮到切削力和切削溫度，TiAlN涂層刀具切削性能最好。

(2)切割同一涂層刀具H13模具鋼時(shí)，隨著切削速度的提高，切削力和切削溫度的增加，工件表面的塑性變形也逐漸增加。

(3)在相同的切削條件下，TiN涂層刀具引起的工件表面塑性變形最嚴(yán)重，Al2O3涂層刀具造成的加工表面塑性變形最小。