考虑到在多层涂层刀具中热收缩现象的种切削温度预测的新方法.docVIP

考虑到在多层涂层刀具中热收缩现象的一种切削温度预测的新方法 摘要： 一种新型的多层涂层刀具切削温度的预测方法出现了，它考虑了在粗糙水平的接触力学以及由此产生的收缩热阻现象。微接触模型已经开发了，并且建立了接触压力与无涂层刀具，多层涂层刀具收缩热阻之间的相互关系。经过对工件、切屑、道具之间的热相互作用和温度的重新分配的分析，它支持考虑了多层涂层热特性的有限元分析模型。这个结果表明刀具涂层可能会显著降低流入刀具的热量。 关键词： 切削温度、工具涂层、收缩热阻 1、引言 提高工具涂层的热和磨擦特性问题是为了提高生产力和加强高速加工和硬加工的新兴技术的性能。实验模仿加工过程表明涂层对基板的温度场有显著的影响。据推测，涂层具有较高的热扩散性可允许更多的热从刀具—切屑接触区流入基板。 然而，最近的有限元分析结果表明，涂层对温度场和多层涂层与基体最高温度的上升的影响不大。这些基于假设恒定接触条件的观察结果得出的结论是涂层的热负荷本身增加。正如克洛克等，[2]正确地指出，这个建模的问题是要求适当的考虑在接触条件变化情况下图层的影响和想象降低刀具和切屑之间的热传递。 本文的主要目的是呈现一种新型的涂层刀具切削温度预测的方法，涂层刀的预测方法是基于粗糙水平的接触力学和由此产生的热缢阻力。这种方法可以用于设计切割刀具和其他相关问题，具有比完美的接触方法更高的信誉度。 2、多层涂层存在热收缩现象 由于真实的表面的性质，接触固体之间的物理的和摩擦的相互作用受限于最高的表面粗糙。因此，产生于微接触区域的摩擦热将会蔓延开而不是以直线路经的形式。这样就产生了所谓的热缢阻力RC。 为了克服这种阻力，在涂层的次表层必须建立一个陡峭的温度梯度，从而产生高的接触温度和热应力。由阿迪等人提出的在静态和动态接触下的分析结果[3]显示温度是以50—100点的顺序，指数的形式分布在这样的热分布层的。当表面被涂以材料时这种现象相当复杂的，这些材料的厚度是为了微接触区域。 多层涂层刀具的热响应行为受到刀具—切屑接触界面的微接触形态和发生在刀具—切屑—工件系统的热收缩现象控制的。这两方面在下面有详细的分析。 2.1 机械接触问题：微观和宏观的接触形态 刀具—切屑交接面的接触形态是以接触面Aa的表面的宏观接触面积和微接触点Ar 的真实面积所定义的。接触面积Aa是刀具—切屑接触长度和切屑宽度b的乘积。第一个近似，比值ArAa等于所施加的压力和接触固体的有效硬度的比值PcH。这个接触长度取决于变形的切削厚度[4]、切削刀具的热导率[5]、剪切面、和其他所有过程的变量的影响，例如，刀具的前角α和摩擦系数μ[6]. 表面涂层的存在，通过其对摩擦力、有效表面硬度、接口的刚度和接触长度Lc[9]的影响而影响微观和宏观接触的形态。因为正态分布的表面凹凸高度，通过（1）、（2）、（3）中表达的关系定义了微接触结构的特性[10]。 在这些方程中，ε表示的是收缩率，γ微接触区域的密度，γ1是微接触区域的平均半径，σ是粗糙凹凸高度的标准偏差，m是表面粗糙的平均绝对斜率，M是Aa表面区域上微接触点的数目。 出现在评估误差函数erfc（X）中的参数X，被定义为： 其中Y是接触表面的中位数平面之间的距离。仔细检查方程从方程（1）到方程（3），可以看出参数ε、γ和γ1是通过一个由接触压力比值PcH唯一决定的单一的无量纲的参数X而相互关联的。 2.2 热收缩模型 图一描述了一个用锋利刀具进行的理想化的正交加工过程。在这种理想化的情况下，有两个热量来源：一个是主剪切面热源Q1，另一个是前刀面热源Q2。后者是由于第二塑性变形区的切削和刀具—切屑摩擦引起的。 图一中的插图显示点到点的接触是在滑动区域出现的。该过程中出现的热量通过一些数量有限的微小接触点进入刀具，这些微小接触点的平均半径为γ1。这些容积，包含每一个微接触区和延伸一段距离进入固溶体的通道，被定义为元素的热流通道（HFC）。由于热流通道是并联的，所以热流在单一通道中的传输过程呈现的为建筑块模型的全过程。 由于没有关于多层涂层的热缢阻力的数据可用，这个问题已经用数值方法研究了。图二给出了一个有限元理想化的典型的热流通道模型。此轴对称模型合并了三种不同的涂料层（C1、C2、C3）。微接触区域的半径γ1和热流通道的半径 γ2的比值的变化产生收缩比0.05ε0.95。 选择在接触区域元素的大小为1um。每一个涂层为3um厚并且被划分为三层的有限元。两种类型的多层涂层均认为：涂层“A”(TiN/A1203/TiC)和涂层“B”（TiN/TiCN/TiC）的顶层都是锡层。除了微接触区域所有表面都是绝热的，在微接触区一个均匀地热通量被应用。这符合HFC的定义并且暗示通过占据刀具—切屑交界面表面凹凸之间的间隙的空隙流体的