硬质合金涂层刀具涂层参数的有限元分析
由于硬质合金涂层刀具的运用越来越广泛，对最佳涂层刀具的研究尤为重要。本文主要是为了研究涂层刀具在不同涂层材料、不同涂层厚度、不同涂层数目下切削效果的差异，分析出切削效果最佳的涂层刀具。本文采用有限元仿真软件AdvantEdge 制作刀具切削模型，通过对涂层材料、涂层厚度、涂层数目这三种情况进行分析，导出这三种条件下的切削过程模型，再利用matlab软件绘制出这三种情况下的切削力变化图，最高切削温度、最高等效应力随时间的变化图，最后得出最佳涂层刀具的最佳切削性能。同时通过其切削温度、等效应力及切削力等因素来分析其对切削刀具的影响。由分析结果得知：涂层材料为TiAlN的涂层刀具切削性能最好。涂层厚度为6μm、涂层数目为3时的刀具切削效果较好。关键词 涂层刀具，切削温度，等效应力，切削力，有限元目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 2
1.3 国内外涂层技术发展现状 3
1.4 涂层刀具的特性及种类 4
1.5 本课题主要工作 5
2 刀具切削参数设置 5
2.1 工件材料的选择 5
2.2 刀具参数设置 6
3 AdvantEdge分析 7
3.1 金属切削软件AdvantEdge介绍 7
3.2 建立有限元模型 9
4 AdvantEdge模型 13
4.1 温度分析结果云图 13
4.2 等效应力分析结果云图 17
4.3 切削力变化图 21
5 有限元仿真结果分析 25
5.1 不同涂层材料对刀具的影响 26
5.2 不同涂层厚度对刀具的影响 27
5.3 不同涂层数目对刀具的影响 28
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
1 绪论
1.1 研究背景
当前，全球经济正处在一个飞速发展的阶段，制造业也发生了革命性的变化。向数控机床为基础的高速、干式切削加工的目标迈进，在机械领域中，切削刀具技术的发展占据重要位
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的影响 27
5.3 不同涂层数目对刀具的影响 28
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
1 绪论
1.1 研究背景
当前，全球经济正处在一个飞速发展的阶段，制造业也发生了革命性的变化。向数控机床为基础的高速、干式切削加工的目标迈进，在机械领域中，切削刀具技术的发展占据重要位置[1]，同时人们更加重视切削刀具的质量。因为刀具涂层技术可大大地改善切削刀具的综合性能，近年来特别是超硬薄膜设计理念的提出，在理论上说可有效地改进刀具的高温性能，这一理念的提出让涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。与之前的切削刀具相比，涂层刀具的利用除了能延长刀具的使用寿命，还能提到加工质量，这两方面就能够在某些程度上降低企业的加工成本，同时也为社会创造了巨大的经济效益。本课题从涂层材料，涂层数目，涂层厚度三个方面来分析涂层刀具的最大耐用度，最长使用寿命。当前制造涂层刀具的方法主要是物理气相沉积(PVD)，主要理念是在其表面镀膜，可以提高它的硬度、耐磨性，并对镀膜后的刀具进行应力，切削力的研究和分析。从1970年开始涂层硬质合金刀具已经普遍应用到加工生产当中，而今的CNC机床所用切削刀具就有80％左右使用涂层硬质合金刀具。众所周知，现在机械工业领域对刀具加工效率、材料力学性能要求是越来越高，以前的硬质合金刀具已经跟不上当今的步伐了。现在选用涂层刀具的越来越多，硬质合金涂层刀具使用的也更加广泛[3]。
刀具表面涂层技术是随着市场的需求而发展起来的，在于该项技术可使切削刀具有良好的综合机械性能，可有效地延长刀具的使用寿命，同时能够提高机械加工效率。看到涂层刀具的种种优势，各国也都在倾力研究和发展该技术。目前，国内刀具涂层技术的发展在一个很重要的阶段，值得一提的就是PVD涂层技术，国内PVD技术之前之所以没有太大的进步，主要是两个方面的原因：一方面是之前的技术水平不高，没有能力去研究和发展，另一方面国内的许多工厂是时候对刀具进行更新了，如果再不更换，那么带来的各种损失将不断增加。因此发展PVD技术，不但能够使国内切削刀具技术水平得到提升，还能获得巨大的经济效益和社会效益。
随着经济的不断发展，重工业在生产模式、生产技术、生产效率上也在不断进步，回顾上世纪50、60年代的工业发展，那时或许还是靠更多的人力的消耗，有些刀具的生产甚至是靠人一个个打磨出来，例如本课题作者曾在学校的钳工处实习了两周，当时制造一个钳子就是通过人工打磨，就是硬生生的在慢慢打磨。车床方面毕竟还有机械设备，人力方面会需要的相对少些，除了设备方面的不足，刀具的耐用度方面也是很大的不足，刀具质量不够，不耐用，无形中增加了经济成本和劳动力。这些都是经济发展的同时需要解决的问题。回到切削刀具上，如果没有涂层材料附着在刀具切削部位，那么刀具的使用寿命将会大大降低。对于刀具使用寿命上的很大改善，涂层技术的使用更是毋庸置疑的。
1.2 研究意义
切削刀具好比制造业的利器，同样制造业的发展与切削刀具息息相关。切削加工的要求也在不断增加，向高效、高精度、高速、智能和环保方向迈进；工件材料的种类在不断增加，例如高韧性、难切削、超高强度材料等材料，所以难免对切削加工有着不少更为艰巨的要求，如要加工硬度60HRC以上的硬加工、微润滑甚至无润滑的干切削等。同时切削加工还向个性化发展。而对这些变化，特别是刀具材料，不但材料利用上会浪费，更主要的是要让材料能有复杂的切削性能，往往是很难的。绝大多数的失效通常都与材料表面的化学、力学、物理等状态下的表面性能有关，看看之前刀具切削失效的很多实例就可知道，涂层刀具的使用会大大提高工作效率，同时会使刀具更加耐用，使用寿命更长，减小更多的经济、人力成本。它是一次重大的进步，更是一个重要里程碑。
目前，在以切削刀具为主体的硬质合金刀具中，涂层刀具已成为现代切削刀具的重要标志，涂层硬质合金刀具已占到80%以上，其实切削加工中要用到的很多刀具，如车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺技术来提高其工作性能。涂层技术至关重要，目前硬质合金刀具涂层技术有化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术两种。这两种是目前运用最广的。涂层硬质合金刀具已运用的很广泛了，如车削、铣削、钻削、镗削、切断与切槽等切削几乎都运用了它。根据调查显示，经过涂层后的刀具寿命平均能延长1.5倍，一部分工业发达国家，涂层刀具使用量平均占到65%，美国有将近80%的刀具都是涂层刀具，日本的涂层刀片所占比例已经超过40%，德国车削涂层刀具已占70%以上的比例。涂层刀具将会在今后的使用中更为普遍，是一个重要研究和发展方向[6]。
综上，硬质合金涂层刀具涂层参数研究的意义显而易见：
(1)通过有限元分析及优化，能更加准确的运用涂层材料，减少经济成本。
(2)研究所得的结果将成为可靠地依据，为更好的进行涂层刀具的制造提供了可能性。
(3)对涂层参数的对比研究，优化工作性能，提高效率，最大化延长刀具寿命。
显而易见，涂层硬质合金刀具的重要性不言而喻，它是一个里程碑，从低效率到高效率的过程；从高成本到低成本的过程；从寿命短到寿命长的过程，所以无论是从经济方面还是社会方面，涂层硬质合金刀具都是有巨大价值所在。
1.3 国内外涂层技术发展现状
1.3.1 国内发展状况
在七十年代初国
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 2
1.3 国内外涂层技术发展现状 3
1.4 涂层刀具的特性及种类 4
1.5 本课题主要工作 5
2 刀具切削参数设置 5
2.1 工件材料的选择 5
2.2 刀具参数设置 6
3 AdvantEdge分析 7
3.1 金属切削软件AdvantEdge介绍 7
3.2 建立有限元模型 9
4 AdvantEdge模型 13
4.1 温度分析结果云图 13
4.2 等效应力分析结果云图 17
4.3 切削力变化图 21
5 有限元仿真结果分析 25
5.1 不同涂层材料对刀具的影响 26
5.2 不同涂层厚度对刀具的影响 27
5.3 不同涂层数目对刀具的影响 28
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
1 绪论
1.1 研究背景
当前，全球经济正处在一个飞速发展的阶段，制造业也发生了革命性的变化。向数控机床为基础的高速、干式切削加工的目标迈进，在机械领域中，切削刀具技术的发展占据重要位
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的影响 27
5.3 不同涂层数目对刀具的影响 28
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
1 绪论
1.1 研究背景
当前，全球经济正处在一个飞速发展的阶段，制造业也发生了革命性的变化。向数控机床为基础的高速、干式切削加工的目标迈进，在机械领域中，切削刀具技术的发展占据重要位置[1]，同时人们更加重视切削刀具的质量。因为刀具涂层技术可大大地改善切削刀具的综合性能，近年来特别是超硬薄膜设计理念的提出，在理论上说可有效地改进刀具的高温性能，这一理念的提出让涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。与之前的切削刀具相比，涂层刀具的利用除了能延长刀具的使用寿命，还能提到加工质量，这两方面就能够在某些程度上降低企业的加工成本，同时也为社会创造了巨大的经济效益。本课题从涂层材料，涂层数目，涂层厚度三个方面来分析涂层刀具的最大耐用度，最长使用寿命。当前制造涂层刀具的方法主要是物理气相沉积(PVD)，主要理念是在其表面镀膜，可以提高它的硬度、耐磨性，并对镀膜后的刀具进行应力，切削力的研究和分析。从1970年开始涂层硬质合金刀具已经普遍应用到加工生产当中，而今的CNC机床所用切削刀具就有80％左右使用涂层硬质合金刀具。众所周知，现在机械工业领域对刀具加工效率、材料力学性能要求是越来越高，以前的硬质合金刀具已经跟不上当今的步伐了。现在选用涂层刀具的越来越多，硬质合金涂层刀具使用的也更加广泛[3]。
刀具表面涂层技术是随着市场的需求而发展起来的，在于该项技术可使切削刀具有良好的综合机械性能，可有效地延长刀具的使用寿命，同时能够提高机械加工效率。看到涂层刀具的种种优势，各国也都在倾力研究和发展该技术。目前，国内刀具涂层技术的发展在一个很重要的阶段，值得一提的就是PVD涂层技术，国内PVD技术之前之所以没有太大的进步，主要是两个方面的原因：一方面是之前的技术水平不高，没有能力去研究和发展，另一方面国内的许多工厂是时候对刀具进行更新了，如果再不更换，那么带来的各种损失将不断增加。因此发展PVD技术，不但能够使国内切削刀具技术水平得到提升，还能获得巨大的经济效益和社会效益。
随着经济的不断发展，重工业在生产模式、生产技术、生产效率上也在不断进步，回顾上世纪50、60年代的工业发展，那时或许还是靠更多的人力的消耗，有些刀具的生产甚至是靠人一个个打磨出来，例如本课题作者曾在学校的钳工处实习了两周，当时制造一个钳子就是通过人工打磨，就是硬生生的在慢慢打磨。车床方面毕竟还有机械设备，人力方面会需要的相对少些，除了设备方面的不足，刀具的耐用度方面也是很大的不足，刀具质量不够，不耐用，无形中增加了经济成本和劳动力。这些都是经济发展的同时需要解决的问题。回到切削刀具上，如果没有涂层材料附着在刀具切削部位，那么刀具的使用寿命将会大大降低。对于刀具使用寿命上的很大改善，涂层技术的使用更是毋庸置疑的。
1.2 研究意义
切削刀具好比制造业的利器，同样制造业的发展与切削刀具息息相关。切削加工的要求也在不断增加，向高效、高精度、高速、智能和环保方向迈进；工件材料的种类在不断增加，例如高韧性、难切削、超高强度材料等材料，所以难免对切削加工有着不少更为艰巨的要求，如要加工硬度60HRC以上的硬加工、微润滑甚至无润滑的干切削等。同时切削加工还向个性化发展。而对这些变化，特别是刀具材料，不但材料利用上会浪费，更主要的是要让材料能有复杂的切削性能，往往是很难的。绝大多数的失效通常都与材料表面的化学、力学、物理等状态下的表面性能有关，看看之前刀具切削失效的很多实例就可知道，涂层刀具的使用会大大提高工作效率，同时会使刀具更加耐用，使用寿命更长，减小更多的经济、人力成本。它是一次重大的进步，更是一个重要里程碑。
目前，在以切削刀具为主体的硬质合金刀具中，涂层刀具已成为现代切削刀具的重要标志，涂层硬质合金刀具已占到80%以上，其实切削加工中要用到的很多刀具，如车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺技术来提高其工作性能。涂层技术至关重要，目前硬质合金刀具涂层技术有化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术两种。这两种是目前运用最广的。涂层硬质合金刀具已运用的很广泛了，如车削、铣削、钻削、镗削、切断与切槽等切削几乎都运用了它。根据调查显示，经过涂层后的刀具寿命平均能延长1.5倍，一部分工业发达国家，涂层刀具使用量平均占到65%，美国有将近80%的刀具都是涂层刀具，日本的涂层刀片所占比例已经超过40%，德国车削涂层刀具已占70%以上的比例。涂层刀具将会在今后的使用中更为普遍，是一个重要研究和发展方向[6]。
综上，硬质合金涂层刀具涂层参数研究的意义显而易见：
(1)通过有限元分析及优化，能更加准确的运用涂层材料，减少经济成本。
(2)研究所得的结果将成为可靠地依据，为更好的进行涂层刀具的制造提供了可能性。
(3)对涂层参数的对比研究，优化工作性能，提高效率，最大化延长刀具寿命。
显而易见，涂层硬质合金刀具的重要性不言而喻，它是一个里程碑，从低效率到高效率的过程；从高成本到低成本的过程；从寿命短到寿命长的过程，所以无论是从经济方面还是社会方面，涂层硬质合金刀具都是有巨大价值所在。
1.3 国内外涂层技术发展现状
1.3.1 国内发展状况
在七十年代初国
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