H13鋼系美國AISI/SAE標準鋼材牌號，相當于國產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性能，目前廣泛應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，獲得理想的表面質量具有重要意義。而淬硬H13模具鋼硬度可達47-55HRC，其切削加工具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重的特點，屬于難加工材料的一種。涂層刀具具有表面硬度高、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦系數小和熱導率低等特性，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、化學穩定性好、與鋼等材料的熱膨脹系數相近等優點，目前已被廣泛應用于超強鋼等難加工材料的切削加工。TiAlN三元單層構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Al2O3，形成一層硬質惰性保護膜，可以提高涂層的抗氧化性。Al2O3涂層則具有優良的耐磨、耐蝕、隔熱等綜合性能，能夠提高硬質合金刀具表面硬度，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量是衡量刀具切削性能的主要指標。硬質合金刀具表面的涂層對切削力和刀具切削熱量的產生有很大的影響。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(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 本構模型及參數
仿真軟件采用自適應網格技術的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格上，在計算過程中材料隨著網格一起動，同時具備網格自動重劃分技術以保證計算精度，其仿真結果可為實際加工提供一定的理論依據。
在金屬切削過程中，工件材料在受到高溫、高壓、高應變率的作用下發生彈塑性變形，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本構模型來定義材料屬性，其表達式為
其中，當 ，有
當 ，有
當，有
當 ，有
當 ，有
當 ，有
式中，分別為初始屈服應力、塑性應變、參考塑性應變、應變硬化指數；c0-c5為5項多項式的系數；T、Tcut、Tmelt分別為溫度、線性剪切溫度、熔化溫度； 分別為應變率、參考應變率、過度應變率；m1、m2分別為低應變率敏感性系數和高應變率敏感性系數。
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，切削參數中進給量f實為切削深度。為研究刀具涂層材質、涂層厚度和切削參數對涂層刀具切削性能的影響，選取不同的涂層材質、涂層厚度和切削速度。具體涂層刀具參數和切削參數見表1。
圖1 仿真幾何模型
表1 涂層刀具參數及切削參數
工件材料選軟件自帶的淬硬H13鋼(硬度為53HRC)，設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從工件右側向左側運動，隨著切削的進行，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 仿真結果及分析
按照表1的涂層刀具參數和切削參數進行仿真計算，并在Advantedge自帶的數據分析和后處理軟件Tecplot中進行結果數據分析。獲取切削過程中的切削力、切削溫度及已加工表面應變，分析涂層材質和切削速度對涂層刀具切削性能的影響。
(1)切削力分析
經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。可見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，達到峰值后逐漸趨于穩定。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展到塑性變形，切削力逐漸變大。當工件材料發生分離，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形成切削力趨于穩定。
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載的大小以及刀具與切屑、刀具與工件的摩擦狀態，對刀具磨損或破損進程以及加工表面質量高低有直接而顯著的影響。切削溫度研究方法有：數學解析法、試驗法、數值法、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某一特定點的溫度，但是由于熱電偶的響應速率較低，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，需進一步結合熱電偶特性和熱損失情況對測量結果進行反求。采用紅外法獲取的是整個切削區外表面的溫度，如需測量刀具或工件體內的溫度，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為不同涂層材質的刀具在相同切削參數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1215℃，TiAlN涂層刀具的前刀面最高溫度最低為1157℃。刀具涂層材質對切削溫度的影響規律與對切削力的影響規律類似，較高的切削力將導致較高的切削溫度產生。
圖6 涂層材質對切削溫度的影響
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變值，對比分析涂層材質和切削速度對已加工表面應變的影響規律。
圖8為涂層材質對已加工表面應變的影響。可見，TiN涂層刀具對已加工表面的塑性變形影響最大，產生的應變值為1.33；Al2O3涂層刀具對已加工表面的塑性變形影響相對較小，產生的應變值為0.83；較大的應變值反映出工件已加工表面發生了較為劇烈的塑性變形，進而推斷出已加工表面存在較大的殘余應力。
圖8 涂層材質對已加工表面應變的影響
如圖9所示，通過切削速度對工件已加工表面應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，產生了較大的應變值。
圖9 切削速度對工件已加工表面的影響
小結
采用4種不同材質的涂層刀具對淬硬H13模具鋼進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。
(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》 作者：杜勁
