金属切削时，刀具前刀面刀—屑接触区域发生剧烈摩擦导致温度急剧升高，引起刀具磨损及破损，导致刀具寿命降低。大量研究表明：前刀面的结构对刀—屑接触的摩擦行为特征有非常重要的影响。因此，对金属切削过程中的刀具前刀面，特别是刀—屑接触区域进行结构设计具有重要的现实意义。

　　很多学者及企业对此展开了研究工作，设计出了各式各样槽型的微槽刀具，例如伊斯卡公司推出了用于不锈钢加工的LF、LFT、MF三种断屑槽硬质合金刀片；刘志林等根据刀具切槽过程的加工难点，设计了一种新断屑槽结构的切槽刀具，通过仿真表明，新断屑槽刀具的综合性能优于原刀具；陈东华等通过分析不锈钢切削中刀—屑接触区的摩擦情况，设计出两种带减摩槽的三维槽型刀片，通过试验表明，带有减摩槽的刀片能有效减小切削力；覃康才等应用DEFORM-3D软件对有无减摩槽的两种刀片进行了仿真分析，结果表明减摩槽能有效减少刀—屑接触面积，减少摩擦，从而减小切削力。

　　由于前刀面微槽的设计主要集中在刀具断屑和减少摩擦上，减少摩擦设计只是考虑基于减少切屑与前刀面的接触。为降低刀具刀—屑接触区的温度，本文提出基于刀具切削过程中温度场模拟的结果，以温度场形状作为刀具前刀面微槽设计原型，从而探索新的能降低刀具切削温度的前刀面微槽设计方法。

　　使用DEFORM-3D有限元分析软件模拟分析硬质合金涂层刀具车削镍基合金，采用CNMG 120408-KNRS高温合金刀片，切削参数为刀片推荐参数。在UG NX 10软件中建立刀具几何模型，并以STL格式文件导出，应用DEFORM-3D中的Machining(Cutting)模块导入该STL刀具模型文件，根据模拟条件(见表1)建立三维切削有限元模型(见图1)。

　　DEFORM-3D车削仿真过程中，刀具为主动件，工件为从动件，切削时工件不动，刀具绕工件转动进行切削。环境温度、刀具及工件初始温度设置为20℃，刀具采用相对网格划分方式，单元数设置为50000。工件采用绝对网格划分，最小网格尺寸为0.075mm，刀具和工件的网格尺寸比均为7。

　　(894℃)出现在切屑部分。由于大量的切削热被切屑带走，工件已加工表面远离切削刃处的温度明显低于靠近切削刃部位。

　　图2 工件及刀具的温度分布仿线b可知，切削热主要集中第二变形区，即刀具与切屑的接触区。在切削过程中，由于切削层金属发生塑性变形以及切屑与前刀面的摩擦产生大量的切削热，使得切削温度急剧上升，刀具的温度分布呈现较明显的梯度变化，离切削刃越近，温度越高。其中，刀具上温度最高点不是出现在切削刃处，而是位于前刀面上距切削刃0.1-0.15mm处，这与传统的切削理论相符合，证明了仿真结果的可靠性。

　　通过DEFORM-3D后处理器可以得到刀具的温度分布，如图3所示。经测量，大致确定前刀面刀—屑接触区位于刀尖2.31mm×1.78mm的区域内，且不同温度范围之间的温度场形状具有高度相似性，大致呈现月牙形状。

　　通过图4的温度剖面图可知，除了第一高温区的温度场外，其余温度场均穿透到后刀面。若假设第一高温区为微槽原型，由图可知，微槽几乎蔓延到后刀面，经测量微槽边距约有0.06mm，不能保证足够的刀具强度，其最大槽深约为0.017mm，也不便于在UG中建模。综合考虑建模及误差等因素，选取包含第一高温区在内的第二高温区(586-774℃)区域作为微槽的数据来源，同时基于对刀具月牙洼磨损模型的认识，微槽边界与主副切削刃之间需要留有一安全距离。在设计微槽时为保证足够的刀具强度，拟在刀具第二前刀面来构建微槽，即假定微槽边距(微槽与刀具主、副切削刃之间的距离)为第一前刀面的宽度0.16mm。

　　常用自由曲面构造方法有直纹面、通过曲线组以及通过曲线网格三种，考虑到温度场所在位置相对复杂(位于第二前刀面的斜面与倾斜曲面的组合面上)，选用较为合适的曲线网格方法来构造微槽曲面。为简化微槽模型构建相近温度曲面，拟定义曲线网格的三组基础曲线分别为微槽轮廓线、微槽纵向线所示。其中，微槽轮廓线℃)边界线与第一、第二前刀面的部分交线构成；微槽纵向线由微槽最大槽深所在平面的微槽中心线及其与微槽两端点分别桥接的曲线构成；微槽横向线由三点样条拟合而成，这三点分别取自微槽中心线与桥接曲线的交点、该交点与微槽中心线所确定的平面与微槽轮廓线的两交点。通过以上的设定，只需获取微槽轮廓线和最大槽深的特征点数据，即可重构曲面，完成微槽造型设计。

　　在仿真过程中，随着切削的进行，切削温度、切削力及前刀面磨损量等都会相应改变。图7为仿真过程中原刀具与微槽刀具最高温度变化曲线。

　　在同一时间步数(Step1780)下原车刀的最高温度为774℃，而微槽车刀最大高温为714℃，而微槽车刀整体温度分布几乎均低于原车刀。结果对比分析表明，带微槽结构的车刀可以降低刀具切削温度。

　　图7 原车刀与微槽车刀的最高温度曲线下X、Y、Z三个方向上原刀具与微槽刀具的切削力进行对比(见图8)发现，切削力曲线产生了一些跳动，这是由于在切屑分离和网格重划分时受计算条件的影响，但不影响分析结果的正确性。

　　随着切削的进行，切削力逐渐稳定，在1780步时原刀具进给力约为292N，主切削力约为long8股份有限公司2260N，背向力约为828N，较原刀具而言，微槽刀具的各个分力均有略微上升，进给力约为395N，主切削力约为2401N，背向力约为973N。这是由于刀具前刀面的微槽结构改变了力的分配，从而导致切削力有略微上升。

　　本文通过DEFORM-3D有限元软件模拟了硬质合金涂层刀具切削镍基合金的过程，得到了刀具前刀面温度场的温度分布及特征点数据，根据温度场分布特征选用较合适的曲面建模方法在三维造型软件UG中进行了微槽设计，最后运用DEFORM3D软件对两种刀具进行了仿真对比分析。结果表明，新微槽结构车刀降低了切削温度，减少了刀具磨损，但切削力略微有上升，可能是切削过程中切屑底部和前刀面接触面积增大造成正压力减小，改变了摩擦角，从而降低了温度，改善了力的分配。