H13钢系美国AISI/SAE标准钢材牌号,相当于国产4Cr5MoSiV1.铬钼热作模具钢。由于其良好的强化性能、热疲劳性能和综合力学性能,广泛应用于各种热加工模具和对硬度和耐磨性要求较高的各种基础部件。
在模具制造过程中,切削对提高加工效率,获得理想的表面质量具有重要意义。H13模具的钢硬度可达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,是一种难加工材料。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、导热性低等特点,可提高刀具使用寿命3-5倍以上,切削速度20%-70%,加工精度0.1-1级。因此,涂层刀具用于切割和硬化H13模具钢,能提高加工效率,获得良好的加工质量。在常用的刀具涂层材料中,TiC涂层硬度高,耐磨性好,与基体附着牢固。制备多层耐磨涂层时,通常会TiC涂层工具中常用的涂层材料是与基体接触的底层膜。
TiN涂层刀具具有硬度高、化学稳定性好、热膨胀系数与钢等材料相似等优点,已广泛应用于超强钢等难加工材料的切割加工。TiAlN在切割过程中,涂层表面会产生一层非晶体薄层Al2O3.形成硬惰性保护膜,可提高涂层的抗氧化性。Al2O3.涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀、隔热等综合性能,可提高硬质合金刀具的表面硬度,有效降低刀具的工作温度。
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有限元仿真软件模拟涂层刀具的切削加工H13钢,分析涂层工具的切割性能,研究涂层材料(TiC\\TiN\\TiAlN\\Al2O3)以及切削速度对切削过程的影响,为实际切削加工提供参考。
1 本构模型及参数
仿真软件采用自适应网格技术Third wave Advantedge金属切割模拟软件作为一种基于材料性质的有限元模拟软件,在模拟过程中附着在网格上。在计算过程中,材料与网格一起移动,并具有网格自动重新划分技术,以确保计算精度。其模拟结果可以为实际加工提供一定的理论依据。
在金属切割过程中,工件材料在高温、高压、高应变率的作用下发生弹性变形,因此在模拟过程中需要综合各种因素对工件材料变形的影响。使用软件Power Law材料属性由本构模型定义,表达式为
其中,当 ,有
当 ,有
当,有
当 ,有
当 ,有
当 ,有
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-c五项多项系数;T、Tcut、Tmelt温度、线性剪切温度、熔化温度; 应变率、参考应变率、过度应变率;m1、m二是低应变率敏感系数和高应变率敏感系数。
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割速度v,刀具的几何参数包括前角、后角和切削刃的圆弧半径。如图1所示,在正交切削时,切削参数中的进给量f实际上是切割深度。选择不同的涂层材料、涂层厚度和切参数对涂层工具切割性能的影响,选择不同的涂层材料、涂层厚度和切割速度。具体的涂层工具参数和切割参数见表1。
图1 模拟几何模型
表1 涂层工具参数及切削参数
工件材料选择软件自带的硬化H13钢(硬度为53HRC),模拟的初始条件是固定工件,初始温度为20℃,干切削。刀具以切削速度。v从工件右侧向左移动,切屑开始形成(见图2a),并最终形成完整的弯曲切屑(见图2b)。
(a)切屑形成初期
(b)形成完整的切屑
图2 切屑的形成过程
2 模拟结果及分析
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自带数据分析和后处理软件Tecplot结果数据分析。在切削过程中获得切削力、切削温度和加工表面应变,分析涂层材料和切削速度对涂层工具切削性能的影响。
(1)切削力分析
模拟分析获得的切削力曲线如图3所示,X方向是切割运动方向,Y方向垂直于待加工工件的表面。X方向的切削力Fx明显大于Y方向的切削力Fy,这是由于沿X方向是切削运动中的主切削力,消耗了大部分切削技能。图3显示,切削运动初期切削力急剧上升,达到峰值后逐渐稳定。这是因为刀具切削刃在切削运动初期逐渐挤压工件材料(见图2a),工件材料由弹性变形发展为塑性变形,切削力逐渐增大。当工件材料分离时(见图2b)随着切屑的持续形成,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是不同涂层材料刀具在相同切削条件下获得的切削力,其中切削合力。图4显示,在相同的切削条件下,TiAlN涂层刀具的切削力最小,Al2O3.涂层刀具的切削力最大。在相同的切削条件下,比较TiN和TiAlN可见涂层刀具的切削力,TiAlN涂层刀具的切削力略低于涂层刀具TiN可以推断涂层刀具是在涂层中添加的Al元素能降低切削力,减摩。TiC涂层刀具的切削力大于TiN和TiAlN涂层刀具表明其减摩效果略差TiN和TiAlN涂层。
图4 涂层材料对切削力的影响
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,切削力不明显Fx逐渐增加;切削合力;F∑也随着切削速度的增加而增加。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,刀工摩擦力也在增加,导致切削力的增加。
图5 切削速度对切削力的影响(TiN涂层)
(2)切割温度分析
在切割过程中,材料的塑性变形能和摩擦转化为热,导致切屑、刀具和工件的温度升高。切割温度的变化可以反映切屑负荷的大小以及刀具与切屑、刀具与工件之间的摩擦状态,直接而显著地影响刀具的磨损或损坏过程和加工表面的质量。切割温度的研究方法包括:数学分析、试验、数值、混合和热源。目前,常用的切割温度测量方法有热电偶和红外法。热电偶可以在工具或工件中获得特定点的温度,但由于热电偶的响应速率低,热电偶探头与被测物体之间存在热交换损失,因此热电偶测量切割温度滞后,测量温度值低,需要进一步结合热电偶的特点和热损失对测量结果进行反应。红外法获得了整个切割区域外表面的温度。如果需要测量工具或工件中的温度,则仍需反向要求。由于目前红外热像仪分辨率低,采样频率低限制了红外法在高速切割中的应用。
利用有限元模拟分析切削温度场可以弥补切削温度测量的不足,在切削过程中可以获得刀具和工件的任何阶段的温度场。图6显示了不同涂层材料在相同切削参数下获得的前刀面的最高温度值。从图中可以看出,在切削过程中,四种涂层工具的最高温度大于1万℃,其中Al2O涂层刀具前刀面最高温度可达1215℃,TiAlN涂层温度为1157℃。刀具涂层材料对切削温度的影响与对切削力的影响相似,较高的切削力会导致较高的切削温度。
图6 涂层材料对切削温度的影响
如图7所示,切削速度对切削温度的影响也很明显,随着切削速度的提高,切削温度逐渐升高。提高切削速度,加快材料塑性变形速率,增加刀-工摩擦,提高切削温度。
图7 切削速度对切削温度的影响(TiN涂层刀具)
(3)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是涂层材料对加工表面应变的影响。TiN涂层工具对加工表面的塑性变形影响最大,应变值为1.33;Al2O3涂层工具对加工表面的塑性变形影响较小,应变值为0.83;较大的应变值反映了工件加工表面的剧烈塑性变形,从而推断了加工表面的残余应力较大。
图8 涂层材料对加工表面应变的影响
如图9所示,从切削速度对工件表面应变的影响曲线可以看出,随着切削速度的提高,工件表面应变值逐渐增加。这是因为随着切割速度的提高,工具和工件表面之间的力增加,加剧了工件表面的塑性变形。此外,随着切割速度的提高,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 切削速度对工件加工表面的影响
小结
使用4种不同材料的涂层工具进行硬化H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。考虑到切削力和切削温度,TiAlN涂层刀具切削性能最好。
(2)切割同一涂层刀具H13模具钢时,随着切削速度的提高,切削力和切削温度的增加,工件表面的塑性变形也逐渐增加。
(3)在相同的切削条件下,TiN涂层刀具引起的工件表面塑性变形最严重,Al2O3涂层刀具造成的加工表面塑性变形最小。