H13钢系美国AISI/SAE标准钢材牌号，相当于国产4Cr5MoSiV1，属铬钼类热作模具钢。由于其具有良好的强化性能、热疲劳性能及综合力学性能，目前广泛应用在各类热加工模具以及各种对硬度和耐磨度要求较高的基础零件中。
在模具制造过程中，切削加工对于提高加工效率，获得理想的表面质量具有重要意义。而淬硬H13模具钢硬度可达47-55HRC，其切削加工具有切削力大、切削温度高、刀具磨损严重的特点，属于难加工材料的一种。涂层刀具具有表面硬度高、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性，可提高刀具寿命3-5倍以上，提高切削速度20%-70%，提高加工精度0.1-1级。因此，利用涂层刀具切削加工淬硬H13模具钢，可以提高加工效率、获得良好的加工质量。在常用的刀具涂层材料中，TiC涂层具有较高的硬度，耐磨性较好，与基体附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜，在涂层刀具中是常用的涂层材料。
TiN涂层刀具具有硬度大、化学稳定性好、与钢等材料的热膨胀系数相近等优点，目前已被广泛应用于超强钢等难加工材料的切削加工。TiAlN三元单层构型涂层中增加的铝含量，在切削时涂层表面会生成一层很薄的非晶态Al2O3，形成一层硬质惰性保护膜，可以提高涂层的抗氧化性。Al2O3涂层则具有优良的耐磨、耐蚀、隔热等综合性能，能够提高硬质合金刀具表面硬度，有效降低刀具工作温度。
在金属切削中，切削力、切削温度和已加工表面质量是衡量刀具切削性能的主要指标。硬质合金刀具表面的涂层对切削力和刀具切削热量的产生有很大的影响。本文采用基于Lagrangian算法的有限元仿真软件模拟涂层刀具切削加工淬硬H13钢，分析涂层刀具的切削性能，研究涂层材质(TiC\TiN\TiAlN\Al2O3)和切削速度对切削过程的影响，以期为实际切削加工提供参照。
1 本构模型及参数
仿真软件采用自适应网格技术的Third wave Advantedge金属切削仿真软件，作为基于材料物性的有限元仿真软件，在仿真过程中材料附着在网格上，在计算过程中材料随着网格一起动，同时具备网格自动重划分技术以保证计算精度，其仿真结果可为实际加工提供一定的理论依据。
在金属切削过程中，工件材料在受到高温、高压、高应变率的作用下发生弹塑性变形，因此在仿真过程中需要综合各因素对工件材料变形的影响。采用软件自带的Power Law本构模型来定义材料属性，其表达式为
其中，当 ，有
当 ，有
当，有
当 ，有
当 ，有
当 ，有
式中，分别为初始屈服应力、塑性应变、参考塑性应变、应变硬化指数；c0-c5为5项多项式的系数；T、Tcut、Tmelt分别为温度、线性剪切温度、熔化温度； 分别为应变率、参考应变率、过度应变率；m1、m2分别为低应变率敏感性系数和高应变率敏感性系数。
基于Advantedge软件建立的仿真几何模型见图1。刀具和工件的相对速度定义为切削速度v，刀具的几何参数有前角、后角和切削刃圆弧半径。如图1所示，在正交切削时，切削参数中进给量f实为切削深度。为研究刀具涂层材质、涂层厚度和切削参数对涂层刀具切削性能的影响，选取不同的涂层材质、涂层厚度和切削速度。具体涂层刀具参数和切削参数见表1。
图1 仿真几何模型
表1 涂层刀具参数及切削参数
工件材料选软件自带的淬硬H13钢(硬度为53HRC)，设置仿真的初始条件为工件固定，初始温度20℃，干切削。刀具以切削速度v从工件右侧向左侧运动，随着切削的进行，切屑开始形成(见图2a)，并最终形成弯曲的完整切屑(见图2b)。
(a)切屑形成初期
(b)完整的切屑形成
图2 切屑的形成过程
2 仿真结果及分析
按照表1的涂层刀具参数和切削参数进行仿真计算，并在Advantedge自带的数据分析和后处理软件Tecplot中进行结果数据分析。获取切削过程中的切削力、切削温度及已加工表面应变，分析涂层材质和切削速度对涂层刀具切削性能的影响。
(1)切削力分析
经过仿真分析获取得到的切削力曲线如图3所示，X方向为切削运动方向，Y方向为垂直于工件待加工表面方向。可见X方向的切削力Fx明显大于Y方向的切削力Fy，这是由于沿X方向为切削运动中的主切削力，消耗了大部分切削功。图3中切削运动初期切削力急剧上升，达到峰值后逐渐趋于稳定。这是由于在切削运动初期，刀具切削刃逐渐挤压工件材料(见图2a)，工件材料由弹性变形发展到塑性变形，切削力逐渐变大。当工件材料发生分离，即形成切屑时(见图2b)所需切削功率有所降低，最终随着切屑的连续形成切削力趋于稳定。
图3 TiN涂层刀具切削力曲线(切削速度v=300m/min)
图4为不同涂层材质刀具在相同切削条件下获取的切削力，其中切削合力。由图4可见，在相同切削条件下，TiAlN涂层刀具的切削力最小，Al2O3涂层刀具的切削力最大。在相同切削条件下，对比TiN和TiAlN涂层刀具的切削力可以看出，TiAlN涂层刀具切削力略低于TiN涂层刀具，由此可以推断出在涂层中加入Al元素可以降低切削力，具有减摩的作用。TiC涂层刀具的切削力大于TiN和TiAlN涂层刀具，说明其减摩作用略差于TiN和TiAlN涂层。
图4 涂层材质对切削力的影响
切削速度对切削力的影响如图5所示。切削速度依次选取为100、300、500、700m/min，随着切削速度的增加，切削力Fy变化趋势不明显，而切削力Fx则逐渐增大；切削合力F∑也随着切削速度的增加而增大。随着切削速度的提高，工件材料塑性变形的应变率越来越大，刀—工摩擦力也不断增大，引起切削力的增大。
图5 切削速度对切削力的影响(TiN涂层)
(2)切削温度分析
切削过程中，材料的塑性变形能和摩擦功转化为热而引起切屑、刀具和工件温度升高。切削温度的变化能反映切屑负载的大小以及刀具与切屑、刀具与工件的摩擦状态，对刀具磨损或破损进程以及加工表面质量高低有直接而显著的影响。切削温度研究方法有：数学解析法、试验法、数值法、混合法和热源法。目前，通过切削试验测量切削温度常用的方法有热电偶法和红外法。采用热电偶可以获取刀具或者工件体内某一特定点的温度，但是由于热电偶的响应速率较低，且热电偶探头和被测物体之间存在热交换损失，因此热电偶测量切削温度具有滞后性和测量温度值偏低的缺点，需进一步结合热电偶特性和热损失情况对测量结果进行反求。采用红外法获取的是整个切削区外表面的温度，如需测量刀具或工件体内的温度，仍需反求。且由于目前红外热像仪的分辨率不高，采样频率低限制了红外法在高速切削中的运用。
利用有限元方法仿真分析切削温度场能弥补切削温度测量中的不足，可获取切削过程中任一阶段的刀具和工件温度场。图6为不同涂层材质的刀具在相同切削参数下获取的前刀面最高温度值。由图可见，在切削过程中，4种涂层刀具的前刀面最高温度均大于1000℃，其中Al2O3涂层刀具前刀面的最高温度可达1215℃，TiAlN涂层刀具的前刀面最高温度最低为1157℃。刀具涂层材质对切削温度的影响规律与对切削力的影响规律类似，较高的切削力将导致较高的切削温度产生。
图6 涂层材质对切削温度的影响
如图7所示，切削速度对切削温度的影响也比较明显，随着切削速度的提高，切削温度逐渐增加。提高切削速度，材料塑性变形速率加快，引起刀—工摩擦力增大，导致切削温度升高。
图7 切削速度对切削温度的影响(TiN涂层刀具)
(3)已加工表面塑性变形分析
在切削过程中，由于切削刀具的切削刃有一定的圆弧半径(0.02mm)，故在切削刃前端存在犁切力的作用。犁切力将被加工材料压入工件已加工表面，从而加剧工件已加工表面的塑性变形。为研究涂层材质和切削速度对工件已加工表面塑性变形的影响，读取工件已加工表面的应变值，对比分析涂层材质和切削速度对已加工表面应变的影响规律。
图8为涂层材质对已加工表面应变的影响。可见，TiN涂层刀具对已加工表面的塑性变形影响最大，产生的应变值为1.33；Al2O3涂层刀具对已加工表面的塑性变形影响相对较小，产生的应变值为0.83；较大的应变值反映出工件已加工表面发生了较为剧烈的塑性变形，进而推断出已加工表面存在较大的残余应力。
图8 涂层材质对已加工表面应变的影响
如图9所示，通过切削速度对工件已加工表面应变的影响曲线可以看出，随着切削速度的提高，工件已加工表面应变值逐渐增大。这是由于随着切削速度的提高，刀具与工件表面之间的作用力增大，加剧了工件表面的塑性变形。另外，随着切削速度的提高，刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦力也增大，在一定程度上加剧了工件表面的塑性变形，产生了较大的应变值。
图9 切削速度对工件已加工表面的影响
小结
采用4种不同材质的涂层刀具对淬硬H13模具钢进行切削加工仿真研究，分析了切削速度对涂层刀具切削性能的影响，结论如下：
(1)在相同切削条件下，TiAlN涂层刀具的切削力最小，Al2O3涂层刀具的切削力最大；TiAlN涂层刀具的切削温度最小，Al2O3涂层刀具的切削温度最大。从切削力和切削温度两个方面考虑，TiAlN涂层刀具的切削性能最优。
(2)同一涂层刀具在切削H13模具钢时，随着切削速度的提高，切削力和切削温度不断增加，工件已加工表面的塑性变形也逐渐增大。
(3)在相同切削条件下，TiN涂层刀具引起的工件已加工表面塑性变形最为严重，Al2O3涂层刀具引起的已加工表面塑性变形最小。
原载《工具技术》 作者：杜劲
