刀具材料对切削AF1410高强度钢温度场的影响

AF1410是一种高镍、铬、钴合金高强度钢，其高强度源于热处理过程中AF1410内部聚晶的二次硬化，使AF1410具有高强度、高断裂韧性，同时又有良好的焊接性能和切削成型性能，广泛应用于兵器、航空、航天、船舶、汽车等工业中，但其热导率很低，在切削过程中，切削热难以排出，切削温度高，不但加剧刀具磨损，还会影响试件的表面质量[1-3]。

近年来，研究人员对高强度钢AF1410的加工过程做了大量的研究，并取得一定进展。西安理工大学的杨振朝等[4]采用有限元仿真与实验相结合的方式研究了铣削AF1410过程中，改变刀具角度和切削参数对切削力的影响，研究表明刀具前角越大，切削力越小；切削速度越大、切削深度越小，切削力越小；杨振朝等[5]还研究了高速铣削AF1410切削参数对加工质量的影响，切削速度、进给量会影响已加工表面粗糙度，切削速度越大、进给量越大，已加工表面粗糙度越大；山东大学宋戈等[6-7]研究了硬质合金刀具切削AF1410高强度钢的切削力和刀具寿命，以及刀具的磨损机理。研究发现刀具涂层失效机理为磨粒磨损，硬质合金基体失效机理为扩散磨损和粘结磨损；并采用正交端铣AF1410钢的实验法，研究了切削参数对已加工表面残余应力的影响；沈阳飞机工业(集团)有限公司的李亚宏等[8]选用两种不同刀具对某AF1410大轴装机零件进行切削试验，采用3因素3水平的正交试验，得出：刀具使用寿命随切削深度和切削速度增大而减小的结论。

目前针对切削AF1410高强度钢温度场的研究非常少，切削过程中切削热不仅会降低试件的强度，也影响试件的加工精度[9]，而且对刀具的磨损影响很大。对切削温度场的实验测量较为困难，而有限元在切削温度场分析方面具有明显优势，为探究不同刀具材料对切削AF1410的温度影响，本研究选取三种不同刀具材料(CBN、WC硬质合金、Al2O3陶瓷)，通过ABAQUS[10]软件建立不同刀具材料切削AF1410高强度钢的仿真模型，采用：动力—温度，位移—显示分析步进行仿真，对不同材料刀具切削高强度钢AF1410的温度场及刀具温升进行分析，为AF1410高强度钢切削刀具材料的选择和刀具的磨损机理提供参考。

1 二维切削有限元模型的建立

1.1 仿真试件与刀具参数

仿真试件材料为AF1410高强度钢，物理性能参数[11]如表1所示，由文献[11]和工厂提供。仿真试件尺寸为 10 mm×5 mm。仿真模型中刀具前角设为10°，后角设为12°，刀刃圆弧半径设为0.01 mm，3种刀具材料的性能参数[12-16]如表2所示。

1.2 有限元分析模型的建立

建立AF1410高强度钢二维切削有限元仿真模型如图1所示。切削参数设置为切削速度v=150 m/min，切深ap=0.4 mm。

为提高运算效率和分析结果的精度，将仿真过程做如下几方面处理：

1) 分析步场输出按照均匀时间间隔输出300帧。

2) 设置试件与刀具之间相互作用为传热与“罚”接触，摩擦因数设置为0.2，刀具与试件初始温度均为室温296 K，试件底边与左侧边设为完全固定约束，刀具设为刚体，速度载荷为负x方向、设置为-2 500 mm/s(ABAQUS软件中单位对应mm和s，故本文速度设置为2 500 mm/s换算后为150 m/min)。

3) 试件与刀具网格属性均设置为采用四节点热耦合平面应变四边形单元，双线性位移和温度，缩减积分，沙漏控制特性；划分网格设计分区，将参与切削加工过程的试件部分与刀尖部分进行细化处理，试件参与切削部分网格尺寸设置为0.008 mm，未参与切削部分选择“为边布种”上下两边尺寸设置为0.008 mm，左右两边选择按照个数设置为10个，共创建106 250个网格；刀具参与切削部分网格尺寸设置为0.05 mm，未参与切削部分设置网格尺寸为0.1 mm，共创建 7 425 个网格，如图1所示。

1.3 AF1410本构模型

AF1410钢为高强度钢，属于塑性材料，其本构模型的建立采用Johnson-Cook塑性模型。其表达公式为：

其中： σ为等效塑性应力； ε为等效塑性应变；

为等效塑性应变率；

为参考塑性应变率； T为试件材料的转变温度； Tr为参考温度，取室温296 K； Tm为材料熔点； A为初始屈服应力值； B为硬化系数； C为应变率系数； n为加工硬化指数； m为温度热软化指数。从文献[6]得到AF1410高强度钢的Johnson-Cook本构模型材料参数如表3所示。

2 仿真结果分析

在切削速度为v=150 m/min，切削深度ap=0.4 mm时，分析不同刀具材料对切削过程温度场变化的影响。

2.1 不同刀具材料最高切削温度变化特点

3种材料刀具切削AF1410时的试件-刀具温度场最高温度变化如图2(a)～图2(c)所示。

将图2(a)～图2(c)3种刀具切削AF1410时的最高温度变化过程分为3个阶段：

1) 切入阶段：刀具与试件刚刚接触，相互作用过程中温度急剧升高，作用时间短， CBN刀具温升速度：504.8 K/1.446 8×10-4 s；WC硬质合金刀具温升速度：521.4 K/1.446 8×10-4 s；Al2O3陶瓷刀具温升速度：535.5K/1.446 8×10-4 s，3种刀具切入阶段温升速度以CBN刀具最低，Al2O3陶瓷刀具温升速度最高，以CBN刀具温升速度为基础值，WC硬质合金刀具和Al2O3陶瓷刀具温升速度分别较CBN刀具温升速度高3.2%和6.1%。刀具刚进入切削层，切削层材料在切削刃和靠近刀刃的前刀面共同作用下，先产生弹性变形，继而又发生塑性变形，AF1410钢内部金属晶格产生滑移，对于低层错能和高强度的AF1410钢来说，高速切削条件下，发生剪切变形的抗力很大，使试件发生加工硬化，从而增加试件发生塑性变形所需要的能量，更多的转变为切削热，使刀-屑切削温度在短时间内发生急剧升高，这种热冲击对3种刀具的耐热冲击性能提出很高要求[17]。

2) 稳定切削阶段：CBN刀具模型与WC硬质合金刀具模型温度稳定在800～840 K左右波动，Al2O3陶瓷刀具模型在加工过程中的温度波动最大，波峰数量最多，最高温度可达900～1 000 K左右。高速切削过程中，因切削速度大，切削热产生速度快，Al2O3陶瓷刀具有很低的导热率，切削过程产生的切削热很难向刀具基体传散，导致未分离切屑与前刀面相互作用区域温度的波动变化。

3) 切削结束阶段：3种刀具材料在即将完成试件切削时，最高温度稳定，波动小。

2.2 不同刀具材料切削温度场的变化

进一步选取不同刀具材料的前2个阶段的切削温度场进行分析：

1) 切入阶段：在切入阶段，不同刀具材料的切削温度场云图以及等温线如图3(a)～图3(c)所示，可以看出：切削过程最高温区域分布在试件的剪切面上，3种刀具材料温度场最高温相接近，此阶段内剪切面集中了切削层材料剪切滑移变形所消耗的能量，此能量几乎全部转化为热量。由于切入阶段作用时间极短，假设剪切面为稳定热源，那么第一变形区(剪切面弹塑性变形区)所产生的热量，主要传递给切屑与试件上。考虑试件-刀具温升受刀具材料热导率影响，第一变形区产生的热量，一部分会向刀具传递，且传递率与热导率具有一定的正相关关系[18]。如上文表2中3种材料刀具热导率分别为：130、74.5～87.9、15～38，会导致不同材料刀具-试件模型场温度略有不同，CBN刀具模型场743.2 K，WC硬质合金刀具模型场765.4 K，Al2O3陶瓷刀具模型场784.2 K，即热导率越大，传热速度越快，模型场最高温度越低。

2) 稳定切削阶段：针对不同材料刀具，分别选择图2中稳定切削阶段的一个波峰为研究对象，观察其试件、刀具及等温线云图如图4(a)～图4(c)所示。CBN刀具模型试件温度850.9 K，刀具温度840.1 K，件-刀温差+10.8 K；WC硬质合金刀具试件温度884.8 K，刀具温度849.5 K，件-刀温差+35.3 K；Al2O3陶瓷刀具模型试件温度972.9 K，刀具温度870.6 K，件-刀温差+102.3 K。CBN刀具高温区位置更靠近刀尖圆弧半径，WC硬质合金刀具等温线云图显示其最高温度区域位置距刀尖较远，Al2O3陶瓷刀具最高温位置更远。试件最高温度区集中在剪切面及切屑底面，与切削过程热源规律相吻合，剪切面集中了切削层材料剪切滑移变形所产生的热量，切屑底面温度反映了切屑底面与前刀面高速摩擦产生的热量；刀具温度梯度范围、刀具最高温范围位置与材料的热导率有直接关系，热导率越大，刀具梯度范围越大，刀具最高温范围越靠近刀尖位置。

2.3 仿真分析可靠性验证

为了验证上述仿真结果的可靠性，在此与文献[19]中哈尔滨理工大学任毅所做实验与仿真结果进行对比，本文仿真初始温度设置为296 K(23 ℃)，文献[19]中仿真和实验初始温度设置为20 ℃；因切削速度对切削温度影响更大，所以对比时选用相同的切削速度进行对比，与文献[19]中所做干式高速切削300M高强钢实验和仿真结果对比如表4所示。文献[19]中实验采用红外热像仪测量温度，很难捕捉刀尖与试件接触区的实际温度，所测平均温度会低于实际温度。文献[19]中在v=150 m/min，切削深度ap=0.6 mm条件下干式高速切削300M高强钢时，实验温升为368.4 ℃，仿真温升为450 ℃，本文CBN切削AF1410仿真温升为504 K(504 ℃)。对比实验结果温升高135.6 ℃，对比仿真结果温升高54 ℃。

AF1410与300M均为高强度钢，抗拉强度、屈服强度硬度及热导率等热力学性能接近。但AF1410比热容为490 J·kg-1·K-1，300M比热容约为550 J·kg-1·K-1，当相同质量的AF1410与300M消耗相同能量时，AF1410升高温度更大，约为300M温升的1.12倍[20]，与上述温升数据接近，可以认为本文仿真分析结果是可信的。

2.4 不同刀具材料刀具温度场的变化

3种刀具材料完成切削后，刀具温度场梯度范围如图5(a)～图5(c)所示，观察不同刀具材料云图：CBN刀具前、后刀面总计共60个网格单元发生温度变化(参与传热)前刀面32单元，后刀面29单元；WC硬质合金刀具前、后刀面总计共47个单元发生温度变化，前刀面27单元，后刀面21单元，Al2O3陶瓷刀具，前、后刀面总计共33个单元发生温度变化，前刀面23单元，后刀面11单元。由此分析可得，刀具的温度梯度范围受热导率影响大，CBN刀具因具有良好的热导率[21]，导热效果好，温度场温度梯度范围最大，WC硬质合金刀具次之，Al2O3陶瓷刀具范围最小，进一步观察云图，显然3种刀具高温区集中在刀尖前刀面1～10单元与后刀面1～10单元，分析其原因为：切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区因刀具与试件之间的摩擦力，消耗大量的摩擦功，产生切削热。由于切屑在前刀面的流动，3种刀具前刀面参与传热单元数量均高于后刀面参与传热单元数量。为进一步分析刀具温度，选取不同刀具不同单元对比观察其温度-时间图像如图6、8、9所示。

观察图6(a)～图6(c)，3种刀具切削AF1410过程中不同切削阶段特点不同：

1) 切入阶段：0～0.5×10-3 s时间内，刀具温度升高至725 K左右，呈现先升温、降温、再升温的波动特点。为探究原因，选取特殊单元分析其温升与温降如图7(a)所示，过程帧数如图7(b)所示，分析得：出现波谷的原因是切屑分离后带走大量热。

2) 稳定切削阶段：0.5～3.5×10-3 s时间内，CBN刀具靠近刀尖位置温度最高，且最稳定，温升曲线缓，波动小。另外2个刀具温升曲线陡，波动大。

3) 切削结束阶段，3.5～4.5×10-3 s内，3种刀具前刀面靠近刀尖位置温度均下降至600～650 K左右。

3种刀具切削AF1410过程中前刀面远离刀尖位置温度分布特点如图8(a)～图8(c)所示，观察CBN刀具前刀面9～32单元、WC硬质合金刀具前刀面10～27单元和Al2O3陶瓷刀具前刀面9～23单元温度-时间图像，前刀面远离刀尖位置温度变化规律类似，因切屑分离与刀具的再切入相互作用，温度整体上出现周期性较大波动，反复温升与温降，温差在200K左右。但3种刀具最高温不同，Al2O3陶瓷刀具最高温Tmax接近900 K，WC硬质合金刀具最高温Tmax略高于 850 K，CBN刀具最高温Tmax低于850 K。

3种刀具切削AF1410过程中后刀面单元温度-时间图像如图9(a)～图9(c)所示，观察分析得：3种刀具温度变化规律相似，加工过程中，后刀面靠近刀尖位置单元因与过渡表面摩擦生热产生波动。其他单元温度规律接近，远离刀尖位置温降均匀， 3种刀具后刀面最高温均为750 K左右。

3 结论

1) 不同材料刀具切削AF1410仿真加工过程中，模型温度场温度变化分为切入、稳定、切出3个阶段，切入阶段3种刀具模型温度场温升速度快，Al2O3陶瓷刀具的温升速度最快，达到535.5 K/1.446 8×10-4 s，CBN刀具温升速度最慢为504.8 K/1.4468×10-4 s。此阶段内剪切面集中了切削层材料剪切滑移变形所消耗的能量，此能量几乎全部转化为热量。由于切入阶段作用时间极短，第一变形区(剪切面弹塑性变形区)所产生的热量，主要传递给未分离切屑与试件上。稳定阶段，因断屑和再切入相互作用的周期性变化，模型场温度波动；切出阶段温度波动小，温度稳定。

2) 切屑底面最高温度高于刀具前刀面最高温度，CBN刀具模型场切屑底面-刀具表面温度差最小，约为10.8 K；Al2O3陶瓷刀具模型场切屑底面-刀具表面温度差最大，约为102.3K。

3) 3种材料刀具，前刀面靠近刀尖圆弧位置，温升稳定，波动小，前刀面远离刀尖一定距离位置处，因切屑的流动分离，温度波动大，温差200 K左右；不同材料刀具因受其热导率影响，温度传递范围不同。CBN刀具，热量向刀具内部传递，传递梯度范围广，前后刀面参与传热面积接近，有利于将温度向刀具基体传递，降低切削区与刀具前后刀面温度；WC硬质合金刀具次之，2种刀具高温区集中在刀尖位置；Al2O3陶瓷刀具，热量集中在前刀面远离刀尖一定距离处，向刀具内部传递少，前刀面表面温升高，分布范围大。

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