李梓釗，鄧文君，龐學(xué)勤

（華南理工大學(xué)，廣州 510641）

隨著航空航天、核工業(yè)、食品工業(yè)等的迅速發(fā)展，不銹鋼材料需求量在快速增加[1]。而316L奧氏體不銹鋼因其良好的機械性能、高溫抗腐蝕性以及無磁性（弱磁性），已在不銹鋼材料中廣泛應(yīng)用[2]。然而316L奧氏體不銹鋼作為難加工材料在切削加工時會產(chǎn)生較大的切削力和切削熱，加工硬化現(xiàn)象嚴重[3]，加速刀具磨損。為了改善難加工材料的切削性能，研究者從綠色制造技術(shù)出發(fā)，提出在刀具表面設(shè)計微結(jié)構(gòu)，通過微結(jié)構(gòu)改善刀–屑接觸環(huán)境來改善切削性能，降低刀具磨損[4]。然而刀具微結(jié)構(gòu)在切削中存在一定的局限性，如產(chǎn)生衍生切削的不利影響[5]，微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度也較低[6]，在某些切削條件下會造成表面紋理失效或者織構(gòu)堵塞等[7]。

為了避免微結(jié)構(gòu)的不利因素，Klopstock[8]首先提出限制接觸的概念，把限制接觸面（Restricted contact surface，RCS）解釋為受人工設(shè)計的可控前刀面，其核心在于加工區(qū)域必須小于切削過程中自然接觸條件下的刀–屑接觸區(qū)域。Sadik等[9]研究了在切削中碳鋼時限制接觸刀具對切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)限制接觸長度對后刀面磨損和刀具溫度存在重要影響，隨著接觸長度減小，最高溫度點向切削刃靠近。Zou等[10]在前刀面設(shè)計了毫米尺度的限制接觸微槽，以改變刀–屑的接觸形式，結(jié)果表明所設(shè)計的刀具能夠減少刀具磨損。近年來，有限元仿真模擬技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)不僅能有效減少試驗次數(shù)，降低試驗成本，而且仿真模擬與實際試驗結(jié)合已經(jīng)成為重要的研究手段之一，因此利用有限元模擬限制接觸切削的過程對理解限制接觸作用具有一定的指導(dǎo)意義。Deng等[11]使用DEFORM有限元軟件分析了切削形狀對切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)非對稱限制接觸形狀比對稱限制接觸形狀的切削力小。Ma等[12]通過AdvantEdge–2D有限元軟件探究了縮短前刀面長度對切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)前刀面長度影響切削過程的切削力和切屑厚度，隨著前刀面長度增加，切削力和切屑厚度均減小。

目前，雖然已經(jīng)存在許多關(guān)于限制接觸切削的研究，但是對變限制接觸長度刀具在切削時的熱力特性影響和變限制接觸結(jié)構(gòu)作用機理缺少研究。因此，運用有限元仿真模擬不同切削參數(shù)和各類型限制接觸刀具對切削性能的影響至關(guān)重要，這將對限制接觸切削理論的發(fā)展提供重要依據(jù)。本文將建立316L奧氏體不銹鋼的普通切削、傳統(tǒng)限制接觸切削和變限制接觸切削有限元模型，分析不同切削參數(shù)和不同限制接觸結(jié)構(gòu)對切削過程的力熱特性影響，揭示限制接觸結(jié)構(gòu)對熱–力載荷減小的作用機理，并設(shè)計相應(yīng)的切削試驗進行驗證，為變限制接觸刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及切削參數(shù)的選擇提供理論指導(dǎo)。

1 有限元切削仿真

1.1 有限元建模

為了簡化實際加工過程中的坐標系轉(zhuǎn)換以及建模過程，現(xiàn)將車床的回轉(zhuǎn)運動簡化為刀具相對于工件的直線運動，根據(jù)簡化后的切削過程，利用DEFORM–3D軟件分別建立傳統(tǒng)切削、傳統(tǒng)限制接觸切削和變限制接觸長度切削的有限元仿真模型，如圖1所示。刀具材料設(shè)定為碳化鎢，其中前角為0°，后角為6°，主偏角為90°，副偏角為2.5°，刃傾角為0°，主切削刃長度為2 mm，刀尖鈍圓半徑為70 μm，工件尺寸為8 mm×2.5 mm×1.6 mm。

除普通平面刀具外（Conventional tool），本文在傳統(tǒng)限制接觸刀具的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計了3種新結(jié)構(gòu)的變限制接觸長度刀具。如圖2所示，從左至右依次為傳統(tǒng)限制接觸刀具，也稱為矩形限制接觸刀具（Rectangular pattern restricted contact tool，RRCT），以及變限制接觸長度的矩形–梯形限制接觸刀具（Rectangular-trapezoidal pattern restricted contact tool，R–TRCT)、雙梯形限制接觸刀具（Double trapezoidal pattern restricted contact tool，DTRCT）、梯形限制接觸刀具（Trapezoidal pattern restricted contact tool，TRCT）。不同限制接觸刀具的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)矩形限制接觸刀具及變限制接觸長度刀具幾何參數(shù)Table 1 Geometrical parameters of traditional restricted contact tool and variable-length restricted contact tools

圖2 有限元仿真中不同類型的限制接觸刀具Fig.2 Different types of restricted contact tools in finite element simulation

1.2 本構(gòu)模型

關(guān)于AISI 316L奧氏體鋼采用Umbrello等[13]提出的J–C本構(gòu)模型，其中J–C本構(gòu)模型表達如式（1）所示。

式中，A為屈服應(yīng)力；B為硬化模量；C為應(yīng)變速率系數(shù)；n為硬化指數(shù)；ε為塑性應(yīng)變；為等效應(yīng)變速率，s–1；為參考應(yīng)變速率，s–1；m為熱敏感系數(shù)；Tn為工件初始溫度；Tr為環(huán)境溫度；Tm為工件材料熔點溫度。其中所有的溫度單位均為℃，在本研究中Tr取20 ℃。材料本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示[13]，材料參數(shù)如表3所示。

表2 316L奧氏體不銹鋼J–C本構(gòu)模型參數(shù)[13]Table 2 J–C constitutive model parameters of AISI 316L austenitic stainless steel[13]

表3 316L奧氏體不銹鋼材料參數(shù)Table 3 Material parameters of AISI 316L austenitic stainless steel

1.3 網(wǎng)格劃分、摩擦模型、邊界條件以及仿真試驗設(shè)計

有限元仿真中網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果有著極重要影響。在保證結(jié)果準確性的同時提升求解效率，通過多次建模嘗試與對比后將工件模型劃分為105000個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元類型為四面體網(wǎng)格，并對主要變形區(qū)即靠近刀尖部分區(qū)域的網(wǎng)格進行細化處理，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.02 mm。由于刀具材料的硬度遠高于切削材料，因此刀具被設(shè)定為剛體。

在切削過程中常用的摩擦模型為剪切摩擦和庫侖摩擦模型，由于切削過程中作用在前刀面上的正向載荷分布不均勻，因此前刀面與切屑接觸區(qū)域的摩擦情況需要用剪切–庫侖復(fù)合摩擦模型表示，即

式中，f為刀–屑接觸界面間的摩擦力；τs為工件材料的剪切屈服強度；σn為刀–屑接觸過程中前刀面上的正應(yīng)力；μc為庫侖摩擦系數(shù)。然而實際切削過程中，剪切和庫侖摩擦邊界難以確定，因此參考先前的工作將刀具與工件摩擦設(shè)為庫侖摩擦，摩擦系數(shù)為0.45[14]。

邊界條件主要分為速度邊界條件和傳熱條件。在本文的速度邊界條件中，工件表面IJKL、JKFG和KLEF固定，即在笛卡爾坐標系下表面網(wǎng)格節(jié)點的位移速度為0，刀具沿著切削速度方向即正X軸方向運動，如圖1所示；在傳熱條件中，工件表面EFGH、IJGH、ILEH和刀具表面設(shè)為傳熱面，可以與環(huán)境對流傳熱，設(shè)置初始溫度為20 ℃，傳熱系數(shù)為0.02 N·s–1·mm–1·℃–1。

為了探究限制接觸刀具對切削過程的影響及其結(jié)構(gòu)的作用機理，本文設(shè)計了關(guān)于切削參數(shù)和限制接觸參數(shù)的控制變量試驗，具體仿真方案如表4所示。

表4 有限元仿真試驗方案Table 4 Test scheme of finite element simulation

2 切削試驗

為了對仿真結(jié)果進行驗證，普通刀具、傳統(tǒng)限制接觸刀具以及變限制接觸長度刀具的切削試驗被執(zhí)行，具體的加工參數(shù)如表5所示。圖3展示了試驗裝置，其中車床型號為C6140A，切削力由Kistler 9441壓電測力計測量，加工區(qū)域的溫度由Fluke Ti–200遠紅外成像儀測量。試驗使用的不同限制接觸刀具如圖4所示，刀具材料為硬質(zhì)合金（YG6），所有刀具的幾何參數(shù)均與第1節(jié)中的模型參數(shù)對應(yīng)。

表5 切削試驗方案Table 5 Test scheme of cutting experiment

圖3 車削試驗裝置Fig.3 Experimental setup of turning

圖4 切削試驗中不同類型的限制接觸刀具Fig.4 Different types of restricted contact cutting tool in cutting experiments

3 仿真結(jié)果與分析

為了研究不同刀具對加工過程的熱力特性影響，將3個變量跟蹤點p1、p2和p3設(shè)置在1/2切削深度處，并距離刀具進入工件后1 mm，且略低于切削厚度20 μm，其位置如圖5所示，在仿真完成后計算跟蹤點溫度時取3點溫度的算術(shù)平均值作為統(tǒng)計結(jié)果溫度。

圖5 傳統(tǒng)切削和限制接觸切削模型中跟蹤點在不同步數(shù)下的位置關(guān)系Fig.5 Location of tracking points in conventional cutting and restricted contact cutting models at different step counts

3.1 切削參數(shù)對限制接觸切削的影響

3.1.1 刀–屑接觸情況

圖6展示了在不同切削參數(shù)下普通刀具和限制接觸刀具的刀–屑接觸情況。對于普通刀具，隨著切削速度增加以及切削厚度減小，刀–屑接觸長度逐漸減?。粚τ谙拗平佑|刀具，因其限制接觸結(jié)構(gòu)的存在，限制接觸長度即為刀–屑接觸長度。在對加工參數(shù)進一步分析后，切削速度為57.2 m/min，切削厚度為0.4 mm時限制接觸刀具能最大程度地減小刀–屑接觸長度，如圖7所示，相比于普通刀具，刀–屑接觸長度分別減小了47.58%和59.31%。

圖6 不同切削速度和切削厚度下普通刀具與限制接觸刀具的刀–屑接觸情況Fig.6 Tool–chip contact of conventional tool and restricted contact tool under different cutting speeds and uncut chip thicknesses

圖7 普通刀具與限制接觸刀具在不同切削速度和切削厚度下的刀–屑接觸長度對比Fig.7 Comparison of tool–chip contact length between conventional tool and restricted contact tool under different cutting speeds and uncut chip thickness

3.1.2 切削力

圖8展示了普通刀具和限制接觸刀具在不同切削速度和切削厚度下產(chǎn)生的主切削力和進給力的對比情況。無論是普通刀具還是限制接觸刀具，切削力分量均會隨著切削速度增加而減小，而隨著切削厚度的增大而增加，這與Sadik等[15]描述的結(jié)果一致。而在小切削速度和大切削厚度下，限制接觸刀具的使用將更大程度地減少切削力分量，這主要是因為在這種情況下限制接觸結(jié)構(gòu)能夠更大比例地抑制刀–屑接觸行為，從而降低切削力。

3.1.3 切削溫度

圖9展示了不同切削速度和切削厚度下普通刀具和限制接觸刀具對工件上切削溫度分布的影響。切削溫度的增加與材料移除率成正相關(guān)，這一點從跟蹤點上的溫度變化也可以求證。圖10展示了不同切削參數(shù)下工件上跟蹤點的溫度變化曲線。可知，全部跟蹤點處的溫度均經(jīng)歷了快速上升和平穩(wěn)下降兩個變化階段。隨著切削速度和切削厚度增加，跟蹤點處的溫度提高，在溫升速率增大的同時，也說明了高溫區(qū)域的快速擴大。在相同切削速度和切削厚度下，限制接觸刀具產(chǎn)生的最高溫度以及加工區(qū)的高溫范圍均小于普通刀具，表明限制接觸刀具能有效減少切削熱產(chǎn)生，降低切削溫度。另外，限制接觸刀具切削時跟蹤點溫度達到最大值的距離小于普通刀具，此現(xiàn)象則是由于限制接觸刀具前刀面上溫度最高點的位置比普通刀具更靠近切削刃，跟蹤點與溫度最高點距離越小，跟蹤點處溫度達到最大值越快，這一現(xiàn)象也表明了限制接觸結(jié)構(gòu)對于改變前刀面上的高溫區(qū)域有重要的意義。

圖9 不同切削速度和切削厚度下普通刀具和限制接觸刀具加工區(qū)域切削溫度的分布情況Fig.9 Cutting temperature distribution in machining zone of conventional cutting tool and restricted contact cutting tool under different cutting speeds and uncut chip thicknesses

圖10 不同切削速度和切削厚度下普通刀具和限制接觸刀具跟蹤點溫度的變化情況Fig.10 Temperature variation of tracked points in conventional tool and restricted contact tool under different cutting speeds and uncut chip thicknesses

3.2 限制接觸長度對限制接觸切削的影響

3.2.1 刀–屑接觸情況

圖11展示了不同限制接觸長度對刀–屑接觸情況的影響。當(dāng)RCL≤0.4 mm時，刀–屑接觸長度即為限制接觸長度，表明了限制接觸結(jié)構(gòu)直接起到抑制刀–屑接觸并改善切削性能的目的。進一步分析不同限制接觸長度下的刀–屑接觸長度，當(dāng)RCL=0.8 mm時，刀–屑接觸長度值為0.61 mm，意味著刀具并沒有完成控制刀–屑接觸的作用，此時限制接觸刀具對加工過程的影響與普通刀具無異，雖然刀具為限制接觸結(jié)構(gòu)，但是仍為傳統(tǒng)切削方式，并沒有起到相應(yīng)的功能與作用。

圖11 不同限制接觸長度下切削過程中的刀–屑接觸情況Fig.11 Tool–chip contact condition of restricted contact cutting tools under different restricted contact lengths

3.2.2 切削力

圖12 不同限制接觸長度下主切削力和進給力的對比結(jié)果Fig.12 Comparison of main cutting force and feed force generated by restricted contact tools with different restricted contact lengths

3.2.3 切削溫度

圖13展示了在切削過程中不同限制接觸長度對切削溫度分布的影響?？芍S著限制接觸長度減小，工件上的高溫區(qū)域越小，表明了在越小的限制接觸長度情況下則越有助于減小切削熱的產(chǎn)生。圖14顯示了在不同限制接觸長度下已加工表面上跟蹤點溫度的變化情況。跟蹤點溫度的變化也證明了上述結(jié)果，表明限制接觸長度的減少也有助于已加工表面溫度的降低。

圖13 不同限制接觸長度產(chǎn)生的切削溫度分布情況Fig.13 Temperature distribution in restricted contact zone under different restricted contact lengths

圖14 在不同限制接觸長度下跟蹤點溫度的變化情況Fig.14 Temperature variation of tracking points at different restricted contact lengths

3.2.4 剪切角

為了進一步探究普通切削和限制接觸切削作用機理，基于Merchant剪切滑移理論[16]，在有限元仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了滑移線模型。圖15展示了不同限制接觸長度下切削過程的剪切角，其中hD為切削厚度，tch為切屑厚度，φ為剪切角?？傻茫?dāng)RCL=0.8 mm時剪切角最小，剪切角越小，材料變形程度越大?？紤]到3.2.1節(jié)RCL=0.8 mm時刀具沒有起到限制接觸作用，與普通刀具切削時刀–屑接觸情況相同，可視為普通刀具，因此通過比較圖15中普通刀具與其余3種限制接觸刀具的剪切角，表明普通刀具比限制接觸刀具的切削性能更差，而圖12傳統(tǒng)切削的切削力均大于限制接觸切削的結(jié)果也佐證了這一點。切削時剪切角與刀具前角的關(guān)系可由式（3）表示[16]

式中，β為摩擦角；γ0為刀具前角。根據(jù)式（3），前角不變時，摩擦角與剪切角成反比。結(jié)合圖15可以推斷限制接觸切削相較于普通切削，改善了刀–屑間摩擦環(huán)境，有助于減小切削熱產(chǎn)生的同時，使得摩擦角減小，剪切角增大。圖13中切屑上紅色高溫區(qū)域隨著限制接觸長度減小而縮小的規(guī)律也證明了這一點。同理，在限制接觸切削中，隨著限制接觸長度減小，剪切角增大，表明在適當(dāng)范圍內(nèi)減小限制接觸長度能有效改善切削性能，而且其效果受限制接觸長度的影響較為明顯。

圖15 不同限制接觸長度下切削過程的剪切角Fig.15 Shear angle of cutting process at different restricted contact lengths

3.3 不同限制接觸形狀對限制接觸切削的影響

3.3.1 刀–屑接觸情況

綠色建筑工程項目在建造階段會受到各種不確定因素的干擾，這些因素的產(chǎn)生會造成造價成本的起伏波動，直接和項目最終收益情況關(guān)聯(lián)，對綠色建造工程造成成本預(yù)估產(chǎn)生波動的因素主要包括：

圖16展示了不同限制接觸刀具在切削過程中的刀–屑接觸情況。根據(jù)變限制接觸長度結(jié)構(gòu)在切屑根部的接觸效果，不同形狀的限制接觸結(jié)構(gòu)均能實現(xiàn)刀具與切屑的可控接觸，而變限制接觸會發(fā)揮比傳統(tǒng)限制接觸更進一步縮小刀–屑接觸區(qū)域的優(yōu)勢。

圖16 在切削過程中不同限制接觸刀具在切屑根部所產(chǎn)生的刀–屑接觸區(qū)域Fig.16 Tool–chip contact area at chip root produced by different restricted contact tools

3.3.2 切削力

圖17展示了不同限制接觸刀具在切削過程中產(chǎn)生的切削力分量對比結(jié)果?？芍兿拗平佑|長度刀具相比于傳統(tǒng)限制接觸刀具能進一步降低切削力分量，這可以歸結(jié)于變限制接觸刀具有更小的理論限制接觸面積。在變限制接觸刀具中R–TRCT、DTRCT、TRCT的主切削力和進給力依次減小，說明變限制接觸形狀對限制接觸作用也有一定的影響，且在本文設(shè)計的限制接觸形狀中，TRCT的梯形限制接觸形狀減小切削力的效果最好。

圖17 不同限制接觸刀具切削過程中產(chǎn)生主切削力和進給力的對比結(jié)果Fig.17 Results comparison of main cutting forces and feed forces generated by different restricted contact cutting tools

3.3.3 切削溫度

圖18展示了不同限制接觸形狀對切削溫度分布的影響，通過對比發(fā)現(xiàn)，相較于RRCT，變限制接觸長度刀具可明顯減小工件上的高溫區(qū)域，表明變限制接觸長度刀具有比傳統(tǒng)限制接觸刀具進一步降低切削熱產(chǎn)生的優(yōu)勢。同時跟蹤點處溫度變化也證明了變限制接觸長度刀具能減少已加工表面的溫度，由圖19可知，TRCT在已加工表面上有最低的切削溫度。而在相同理論限制接觸面積下，由TRCT切削時跟蹤點處溫度值會比DTRCT的低，表明TRCT對已加工表面的熱影響更小。這也表明了即使在理論接觸面積相等的情況下，不同限制接觸形狀仍會對切削溫度有較大影響。

圖18 不同限制接觸長度刀具產(chǎn)生的切削溫度分布情況Fig.18 Temperature distribution in restricted contact machining under different restricted contact cutting tools

圖19 不同限制接觸刀具對跟蹤點的溫度變化影響Fig.19 Temperature variation of tracking points under different restricted contact cutting tools

此外，從刀具表面的溫度分布也證明了限制接觸形狀對切削溫度有重要影響。圖20顯示了不同限制接觸刀具前刀面上的溫度分布情況，可見，隨著限制接觸面積減小，前刀面上紅色高溫區(qū)域縮小，而限制接觸形狀的改變，也會讓前刀面上的高溫區(qū)域產(chǎn)生變化，證實了限制接觸形狀不光對加工區(qū)域的溫度產(chǎn)生影響，而且對前刀面上溫度的分布也有著重要意義。

圖20 不同限制接觸刀具前刀面上的溫度分布情況Fig.20 Temperature variation on tool rake face for different restricted contact cutting tools

3.3.4 剪切角

圖21展示了不同限制接觸刀具在切削過程中的剪切角?？芍?，變限制接觸刀具的剪切角大于RRCT，表明變限制接觸結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)限制接觸結(jié)構(gòu)能增大剪切角，減小材料變形程度，有助于切削力減小，這能夠通過圖17中變限制接觸刀具與傳統(tǒng)限制接觸刀具切削力的對比得到驗證，揭示了變限制接觸刀具減小切削力作用的內(nèi)在機理。

圖21 不同限制接觸刀具切削過程的剪切角Fig.21 Shear angle of cutting process employing different restricted contact cutting tools

利用式（3）對剪切角進一步分析，當(dāng)前角相同時，剪切角的變化與摩擦角有關(guān)。由此可以推斷變限制接觸結(jié)構(gòu)通過減小摩擦角，使得剪切角增大，切削性能得到改善。摩擦角的減小說明變限制接觸切削的刀–屑間摩擦情況優(yōu)于傳統(tǒng)限制接觸切削，可由圖20中的結(jié)果證實。圖20中變限制接觸刀具的紅色高溫區(qū)域要明顯小于傳統(tǒng)限制接觸刀具，表明變限制接觸結(jié)構(gòu)能減小刀具表面的溫度，優(yōu)化刀–屑間摩擦接觸環(huán)境，減小切削熱。

另一方面，在變限制接觸刀具中，TRCT的剪切角最大，其對應(yīng)的摩擦角最小，表明TRCT的變限制結(jié)構(gòu)更有利于改善切削性能和刀–屑間摩擦情況，以及TRCT限制接觸形狀的設(shè)計更合理。

4 切削試驗驗證

4.1 切削力

在前文通過有限元模型分析了變限制接觸長度刀具對切削性能的改善作用，本節(jié)將通過試驗繼續(xù)對不同刀具的切削性能進行分析。圖22展示了在切削速度79.2 m/min、進給量0.2 mm/r、切削深度2 mm時不同刀具產(chǎn)生的主切削力和進給力。

圖22 不同刀具產(chǎn)生的切削力分量Fig.22 Cutting force components for different cutting tools

對比分析后可以發(fā)現(xiàn)，在相同切削參數(shù)下，限制接觸刀具產(chǎn)生的主切削力和進給力均明顯小于普通刀具，表明限制接觸結(jié)構(gòu)能有效減小切削力。相較于普通刀具，限制接觸刀具的主切削力能減小14.37%～27.01%，進給力能減小22.3%～36.69%，這主要歸結(jié)于限制接觸結(jié)構(gòu)對切削性能和刀–屑間摩擦特性的改善。結(jié)合實際切削試驗和上述仿真結(jié)果，不同限制接觸刀具切削力分量的仿真和試驗結(jié)果呈現(xiàn)出一致的變化趨勢，表明有限元仿真結(jié)果與實際切削試驗結(jié)果比較接近，有限元仿真能有效反映實際切削中的現(xiàn)象規(guī)律，使得有限元分析結(jié)論具備指導(dǎo)實際切削的價值。另一方面，相比于傳統(tǒng)限制接觸刀具，變限制接觸長度刀具產(chǎn)生的主切削力和進給力更小，且刀具的理論接觸面積越小，切削力分量減小幅度越大，表明理論接觸面積是影響限制接觸作用的重要因素。而在相同理論接觸面積下，TRCT比DTRCT能更有效地減小主切削力和進給力，表明限制接觸形狀也會對限制接觸作用產(chǎn)生影響。相比于切削試驗中的其他刀具，TRCT的切削力分量最小，說明梯形限制接觸形狀減小切削力的效果最好，為后續(xù)限制接觸形狀設(shè)計提供參考依據(jù)。

4.2 切削溫度

不同限制接觸形狀除了對切削力分量和摩擦性能有重要影響外，對切削溫度的降低也有重要意義。圖23顯示了不同刀具在切削過程中的紅外熱成像圖，可以發(fā)現(xiàn)普通刀具在加工過程中產(chǎn)生的溫度明顯高于限制接觸刀具產(chǎn)生的溫度。普通刀具、傳統(tǒng)限制接觸刀具、變限制接觸刀具的最高切削溫度依次降低，且高溫區(qū)域的面積也依次減小，這與圖18切削仿真的工件溫度分布和圖19的跟蹤點的最高溫度變化規(guī)律一致，由此證明了限制接觸切削模型仿真結(jié)果的準確性。

圖23 普通刀具與限制接觸刀具切削過程中紅外熱成像及紅外熱像結(jié)果（v =79.2 m/min，vf =0.2 mm/r，ap =2 mm）Fig.23 Infrared thermography of conventional tool and restricted contact tools and infrared thermal imager results(v =79.2 m/min, vf =0.2 mm/r, ap =2 mm)

5 結(jié)論

本文建立了普通刀具、傳統(tǒng)限制接觸刀具、變限制接觸長度刀具的切削仿真模型，通過切削力和切削溫度分析了限制接觸刀具在切削過程中的作用，并輔以切削試驗進行驗證，獲得了切削參數(shù)（切削速度和切削厚度）、限制接觸長度、限制接觸形狀與切削熱力特性之間的關(guān)系，得出的結(jié)論如下。

（1）通過對不同切削參數(shù)的有限元仿真結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在一定切削參數(shù)下普通切削的刀–屑接觸長度越長，限制接觸切削減小接觸長度的作用越明顯，切削力和切削溫度減小幅度越大。對于不同限制接觸刀具，隨著限制接觸長度和理論限制接觸面積減小，切削力減小，切削溫度降低。

（2）限制接觸刀具能通過改善刀–屑接觸的摩擦條件來影響加工過程中刀具的切削力和刀–屑接觸面的切削熱，從而達到改善切削性能的目的。

（3）基于仿真結(jié)果和切削試驗，研究了限制接觸形狀對切削熱力特性影響，在4種限制接觸形狀中，理論限制接觸面積越小，切削力越小，切削溫度越低；具有相同理論限制接觸面積時，TRCT的切削力最小，切削溫度最低?？紤]到更小的切削力和切削溫度有利于提高切削性能、改善刀–屑間接觸摩擦、減少刀具磨損和延長刀具壽命，TRCT的限制接觸形狀更合理。

（4）本文通過建立有限元切削仿真模型，獲得了與切削試驗結(jié)果規(guī)律較吻合的模擬結(jié)果，探明了限制接觸刀具改善切削性能的作用機理，為變限制接觸長度刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及刀具匹配切削參數(shù)的選擇提供了重要參考依據(jù)。