一、整体流程

1.1刀具材料/刀具涂层

刀具材料对刀具性能以及寿命有非常重要的影响。在切削过程中，刀具与切屑和工件表面都会产生剧烈的摩擦，这导致刀具切削刃附近的会产生较高温度，高温加速了刀具的磨损。同时，刀具还要承受切削力的作用，为了保证刀具具有良好的切削能力，刀具的材料必须要合理地选取。合理的刀具材料对加工质量、生产率和加工成本影响极大。
往往越好地材料价格越贵，为了提高刀具寿命的同时降低刀具的成本，涂层技术被应用在刀具上。涂层是指在刀具切削区域涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物。涂层后刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性。在相同工况下，相比于未涂层的刀具，涂层刀具寿命提高3-5倍，提高切削速度20%-70%，提高加工精度0.5-1级，降低刀具消耗费用20%~50%。

1.2实验目标分析

某车间在加工一工件时，需要使用车床车削不锈钢材料。不锈钢材料的加工难度比较大，主要原因是切削时易产生硬化层，导致容易断刀；此外，产生的切屑不易折断，切屑粘在刀具前刀面，会加剧刀具的磨损。为了提高硬质合金刀具的寿命。目前业内有两个提高刀具寿命的方法，方法一是将刀具材质换成陶瓷、立方氮化硼等高硬度材料类；方法二是在刀具表面加上涂层材料。由于二者的价格区别比较大，我们最好通过建立仿真模型，分析这两种方式对刀具寿命的影响。并结合企业的生产量，决定最后改善方式。

1.3仿真设置

实验基本信息

工序	工件材料	刀具参数	加工参数
2DTurning	316L不锈钢	刀尖圆弧半径 0.02mm	进给量0.047mm
		前角 5°	切削深度 6mm
		后角 10°	切削宽度3mm
			切削速度100m/min
			初始温度20℃

实验仿真项目

仿真项	仿真1	仿真2	仿真3
刀具材料	硬质合金	硬质合金	陶瓷
涂层材料	无	TiN	无
涂层厚度	–	0.0025mm	–

关于AdvantEdge中刀具材料
在AdvantEdge中，刀具使用具有完整热属性的弹性材料模型进行建模。因为刀具的硬度远大于工件，故AE设定刀具不发生塑性变形。AE存储了软件中列举的材料的弹性模型；除此之外，还存储了每种刀具材料还模拟热特性，包括比热容和热导率。

1.4设定仿真对比模型

根据所列举地基本信息表，在AdvantEdge中按部就班地设置工件参数、刀具参数、工艺参数等，至于网格划分等设置采用默认值。建立批处理文件，执行仿真。

二、结果分析

2.1切削温度云图对比

仿真完成后，因为AdvantEdge在win10系统中无法生成，xxxfft.tec文件，需要用户手动修改。修改完成之后，在AE中打开Result选项进入Tecplot软件中。点击Tools>>AdvantEdge Quick Analysis选项，再点击AdvantEdge Quick Analysis内部的Tools>>Muilt-Projiect Display。选择创建三个仿真文件，得到对应切削温度云图，如下图1-1。
1-1
这时，我们最好重新设定温度云图才更方便我们观察结果，重新设定最低值为20.最高为350，层数为11.重新设定后的云图如1-2所示。

1-2
刀具云图如1-3所示

1-3
通过观察工件-刀具云图、刀具云图，我们发现，硬质合金刀具仿真模型中切屑的温度涂层刀具和陶瓷刀具的低。这就说明，多出的热量通过切屑-刀面会传递给刀具。过高的温度将扩大刀具的磨损。观察刀具温度云图，陶瓷刀具在刀尖附近的温度明显高于其余二者。这是因为陶瓷刀具导热性差，刀尖的温度比较高。但是陶瓷刀具在高温下依旧可以保持很好的切削性能。
对比涂层硬质合金刀具和非涂层硬质合金刀具云图，温度分布大致相同。
观察切削力、温度曲线。如图1-4
1-4
通过图1-4，我们发现涂层刀具温度与比非涂层刀具曲线接近。但是涂层材料为难熔金属或非金属化合物，在高温情况下，材料性能稳定。这说明了在相同的工况下，涂层刀具会有更好的切削性能。

三、实验总结

通过云图、温度曲线的对比，我们可以得出涂层材料能够明显改善刀具切削性能的结论。
事实上，大部分企业都选用2-3层涂层。涂层的材料有TiC，TiN以及TiAIN等。读者可以试试多涂层刀具的仿真情况。
注：由于表面的涂层厚度，切削刃的半径也会变大，若为了获得较好的仿真结果，可以略微调大切削刃半径值。

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