高硬度合金在航空航天工業中應用廣泛，由於其普遍具有熱強度好、比強度高、化學活性大、彈性模量小等特點，在切削加工時切削區域因劇烈摩擦會使接觸表面的溫度升高，對刀具和工件產生嚴重的影響。在高硬度合金的高速加工中，萬熠等通過脈衝雷射熱衝擊模擬得到了刀具損壞機制，發現相比普通切削，高速切削時刀具承受更高的切削溫度和熱應力衝擊，刀具破損更加嚴重，因此對高硬度合金高速加工時刀具溫度場的研究就顯得尤為重要。
切削熱產生於三個區域：剪切面、切屑和前刀面摩擦面、工件和後刀面摩擦面。隨著塗層刀具在生產中的應用日漸廣泛，刀具溫度除受切削用量、刀具材料和工件材料等因素的作用外，刀具塗層對刀具溫度的分布也具有重要影響。國內外學者對其及影響因素進行了大量研究，並取得了許多成果。
本文將刀具溫度場分為刀具前刀面溫度場和刀具內部溫度場，從解析法、數值法和測量技術三個方面回顧了刀具前刀面溫度場的研究進展，圍繞無塗層和單塗層、多塗層等角度總結了刀具內部溫度場的熱傳導模型，綜述了影響刀具溫度的因素，並分析其優點和不足，對未來高速加工刀具溫度場的研究方向進行了討論。
1 刀具前刀面溫度場的研究
由於高硬度合金的熱導率較低，導致在刀—屑接觸面產生的切削熱很難得到擴散。刀具前刀面和切屑接觸區域的溫度對加工過程有很大的影響，會加劇刀具磨損，縮短刀具壽命，所以有必要研究高硬度合金高速加工時刀具—切屑界面上的溫度分布和熱分配比。目前，對刀具前刀面溫度場的研究方法主要有解析法、數值法和測量技術三種。
(1)刀具前刀面溫度場的解析法建模
溫度場通常可以根據已知的熱源來求解，這種方法稱為熱源法，熱源法在溫度場的解析法建模中使用得最為廣泛。一些科研工作者一直致力於加工過程溫度場的解析法建模，Trigger K.J.等認為刀具—切屑接觸面上的摩擦熱源對切屑來說是移動的熱源，而對刀具來說則是固定的熱源（見圖1）。採用Blok分配原理，通過假設相互接觸表面的平均溫度相同，計算出刀具—切屑接觸面上的平均熱分配係數和溫度。Loewen E.G.和Shaw M.C.也採用類似方法研究了不同接觸區域的平均溫度。然而，Chao B.T.等後來發現關於熱源均勻分布的假設導致Blok原理使用不恰當，故把熱通量假定為指數函數，進而提出一種函數分析的方法代替Blok原理來解決熱分配問題。雖然這種方法能夠得到更確切的界面溫度分布，但需要頻繁試切過程來確定其方程中的常數值。
圖1 熱源示意圖
Komanduri R.等在已有熱源法的基礎上，假定只有切屑的背面是絕熱邊界，研究通過切屑的非均勻移動帶熱源和刀具的矩形固定熱源來預測刀具—切屑界面處的溫升分布，得到的模型顯示了剪切熱源和刀—屑摩擦熱源對溫度升高的綜合影響。關於熱分配係數的確定，他們簡化了Trigger K.J.和Chao B.T.建立的函數分析方法，把熱分配係數假定為刀—屑接觸長度的函數。簡化後，這種方法使用起來更方便，但他把滑動接觸區域假設為無限長的具有均勻熱分布的熱源，這會對模型的精度造成一定的影響。
熱分配比的確定對於了解刀具前刀面的溫度變化是十分必要的。為了解決該問題，YongHuang等考慮了剪切熱源、刀—屑摩擦熱源以及相關邊界條件的綜合影響，基於粘結區和滑動區的熱分配比不均勻和熱強度不均勻，對金屬切削時沿刀具—切屑接觸面的溫度分布建模，解決了沿刀具—切屑接觸面的溫升問題，通過匹配沿接觸面的刀具溫升與切屑溫升來確定熱分配比。Wu Baohai等提出了預測端銑刀具溫度的分析模型，既可以分析刀具—切屑界面升溫階段的刀—屑實際摩擦狀態，又可以分析降溫階段的一維平面熱傳導模型，並進行了計算機模擬和物理切削試驗，兩者結果一致。但Yong Huang和Wu B.的方法都不能得到接觸面上確切點的溫度。Cui D.等把刀具離散化成軸向差分元素以模擬每個差分元素的溫度，通過積分每個差分元素沿軸向的溫度來計算刀具和切屑的溫度，很好地解決了確定確切點溫度的問題。採用響應曲面法來解決刀具—切屑界面上的熱分配問題，得到熱分配係數和切削速度、進給量的關係。通過實驗對模型進行驗證，顯示了良好的一致性。
理論分析法已經取得了大量研究成果，理論分析模型具有較強的適用性，但理論分析法的計算過程複雜繁瑣、效率較低、對研究者的要求高，有時很難求得方程的解析解，分析模型的精度較低。同時，理論分析法有時需要做大量的簡化假設，而簡化假設的正確與否毋庸置疑會對求得的理論分析模型產生影響。
(2)刀具前刀面溫度場的數值法建模
隨著計算機行業的蓬勃發展，數值模擬已廣泛應用於加工仿真過程。相比解析法，數值法的工作效率高，降低了研究者的工作量，模型精度較高，並能減少分析模型的簡化假設，而且能夠對切削過程實施必要的監控和預測，從而更好地剖析切削機理。
Tay A.A.O.等通過實驗建立應變率場，假設流動應力是應變、應變率和溫度的函數，根據應變率和流動應力分布計算剪切區和刀—屑接觸區的熱源分布，從而建立在正交切削過程中刀具、切屑和工件溫度場的有限元模型。這種方法的局限性主要在於需要從切削試驗中獲得輸入值，這無疑會影響到所獲結果的精度。Stephenson M.G.等考慮了切屑和刀具的實際幾何形狀、刀—屑接觸區產生的熱量和各種材料特性，改進了計算應變率場、網格和流動應力的程序，擴展了Tay有限元模型的應用範圍，避免將流場作為參數輸入，並且能夠適應剪切角和刀具—切屑接觸長度的大範圍變化，但該方法仍需要一定的實驗來獲得模型的輸入參數。
AISI1045、Ti6Al4V和Inconel 718三種高硬度合金是常用的航空材料，但其熱導率較低，在機加工領域屬於難加工材料，所以研究者們圍繞高速加工時的切削溫度做了大量的有限元模擬。Courbon C.等在AISI 1045幹切削過程中，發現接觸面存在TCR（熱接觸電阻），採用基於任意—拉格朗日—歐拉（ALE）方法的有限元（FE）模型研究發現TCR對傳遞給刀具的熱通量、刀具前刀面上的溫度分布存在明顯的影響。雖然Courbon C.在一定程度上揭示了TCR的形成機理，但並沒有詳細闡述TCR對刀具熱通量和前刀面溫度分布的影響規律。為了提高數值模型的精度，Yang Y.等對鈦合金Ti6Al4V的材料本構模型做出了改進，如式（1）所示，建立有限元模型分析了螺旋雙刃銑刀銑削鈦合金Ti6Al4V過程中的切削溫度，分析結果表明，前刀面溫度高於側面，高溫出現在接近刀尖的區域。採用改進的Ti6Al4V材料本構模型提高了有限元模擬的準確性，但Yang和Courbon C.的方法都沒有考慮到在刀具—切屑接觸面的熱分配係數以及加工時刀具磨損對切削溫度場的影響。
在幹銑削Inconel 718試驗中，針對刀具側面磨損對刀具熱通量和溫度分布的影響，Yan S.等提出了一個有限元熱模型，通過逆向求解法確定了流入切屑和刀具的熱分配係數（HTC），並輸入有限元模型實現對刀具溫度變化的準確模擬。這對實際加工中過度磨損的刀具繼續用於材料加工的研究表現出很大的現實意義。
(3)刀具前刀面溫度場的測量技術研究
1931年Salomon C.J.基於銑削試驗提出Salomon曲線，Salomon指出切削溫度會隨著切削速度的升高而升高，到達臨界切削速度後，切削溫度會隨著切削速度的升高而降低（見圖2）。近年來，為了有效控制高硬度合金高速切削條件下的切削溫升，對刀具溫度的研究實驗主要圍繞刀具—切屑接觸面溫度的測量。
為了測量刀具—切屑接觸面的溫度，Sato M.等發明了一種紅外輻射高溫計，在刀具上用光纖耦合器連接兩根光纖，當刀具銑削時測量刀具—切屑接觸面的溫度。但是這種方法的響應速度較慢，如果目標的移動速度或升溫速度很快時，測得的精度較低。
類似Courbon C.的數值分析研究，Norouzifard V.等通過紅外熱像儀測量刀具—切屑接觸面附近的平均溫度，發現刀具—切屑接觸區域存在熱接觸電導（TCC），得到影響TCC的相關因素和TCC對加工過程的影響，但測得的刀具—切屑接觸面平均溫度精度較低。為了測量鈦合金Ti-6Al-4V高速加工時的切削溫度，J.C.Heigel等使用透明的YAG刀具正交切削Ti-6Al-4V圓盤，通過高幀頻率（700Hz）和大解析度（20mm²）的紅外相機觀察刀具—切屑接觸面的溫度，可以藉助可見光相機測得的切屑捲曲和磨損情況對測得的切削刃溫度進行驗證。但是透明刀具的獲取使得這種方法的使用受到限制，而且傳統的紅外熱成像技術通常用於確定正交切削中刀具側面的溫度。因此，Arrazola P.J.等改進了紅外熱成像技術，使之可以測量刀具表面和刀具—切屑接觸面的溫度，其研究結果顯示刀具—切屑接觸面的溫度高於刀具其它面的溫度。
圖2 Salomon曲線
測量方法是研究高硬度合金切削溫度的直接手段，雖然紅外熱成像技術在溫度測量的應用最為廣泛，但如果所測物體溫差較小，紅外熱圖像的溫度對比度就低，就比較難以分辨。切削過程中刀具溫度的測量技術非常重要，有助於直接了解刀具體的溫度分布情況，同樣這對驗證切削溫度的理論模型和數值模型的有效性也特別有幫助，因而需要進一步開發高響應速度和高精確度的溫度測量技術。
2 刀具內部溫度場的研究
(1)無塗層刀具的熱傳導模型
經典的傅立葉熱傳導理論在解決常規熱傳導問題（如熱流密度不高、熱作用時間長的情況）時可以達到足夠的精度，經典的一維傅立葉熱傳導定律的一般式為
式中，k為材料熱導率；A為橫截面面積。
如圖3所示，上下邊界為絕熱表面，塗層前後的溫度為T1和T0（T1>T0），通過橫截面的熱流量Q和溫度梯度成正比。但是基於傅立葉熱傳導定律的宏觀熱傳導模型已難以解決一些超常規熱傳導現象，如熱流密度高、熱作用時間短的熱傳導問題，許多學者對其進行了研究，並從不同的物理現象出發，建立了各種時間和空間微尺度條件下的非傅立葉熱傳導模型。
Jen T.C.等通過修改Loewen和Shaw提出的穩態能量分配方法，採用定點迭代法得到了瞬態能量分配，採用體積控制法來數值求解全面的三維非線性瞬態熱傳導方程，進而提出了在瞬態條件下應用的溫度預測模型，能夠準確預測初始瞬態或者在切削時間極短情況下的刀具溫度變化，以研究不同的熱通量輸入、刀具空間均勻熱通量和刀具—切屑接觸面處的空間不均勻拋物線熱通量對切削刀具溫度的非線性影響。
圖3 熱傳導示意圖
雖然Jen T.C.建立的模型綜合考慮了瞬態能量分配和熱通量的影響，並能夠預測瞬態下刀具的溫度變化，但沒有具體給出切削條件不同對刀具體溫度的影響。對此，Cui X.等預先進行金屬正交切削的有限元模擬，以確定刀具前刀面上熱源的演變過程，提出了一種理論模型，可以預測不同切削速度和金屬去除率下端面銑削時的平均瞬態刀具溫度，以優化切削條件，但他們建立的模型不能很好地反映刀具體的溫度分布情況。Wei B.等採用自主開發的嵌入式測溫刀架系統（ETMTHS）測量硬質合金端銑刀的刀尖溫度，並通過熱源法建立了硬質合金銑刀的動態溫度場模型，利用粒子群優化算法（PSO）求解熱流，採用ANSYS軟體仿真分析連續銑削溫度，得到了固體硬質合金銑刀的溫度及其梯度分布。對於瞬態切削溫度的研究，Cui X.等指出應該重視銑削熱源強度和熱源區域的變化，這也反映了Wei B.等所創模型的一大優點，但是他們建立的刀具體溫度場模型普遍只考慮到作用在刀具—切屑接觸面上的熱源，而忽略了刀具—工件接觸面熱源對刀具內部溫度場的影響，而不同的高硬度合金材料性能不同，產生的熱源對刀具內部溫度場的影響也不同。
(2)單塗層刀具的熱傳導模型
近年來，塗層刀具的使用日益增多，有很多研究者對塗層刀具的熱傳導模型進行了研究。在相關文獻中基於傅立葉定律和能量平衡定律，通過有限差分法來對無塗層刀具和不同塗層的刀具進行熱模擬，發現Al2O3塗層的熱導率隨著溫度升高而降低，而TiC、TiN和WC塗層的熱導率隨著溫度升高而升高，使用合適的塗層可以使刀具體的溫度呈一定的梯度降低。但它所建立的熱傳導模型沒有通用公式，遇到不同的塗層刀具就必須重新建立新模型，而且模型精度受迭代次數的影響。I·rfan Ucun等採用數值模擬研究塗層類型對刀具溫度的影響。研究結果表明，相比其它類型的塗層，Al2O3塗層導熱性隨著溫度升高而降低，導致流入切屑和工件的熱量增加，從而顯示出較小的刀具溫度。刀具的最高溫度出現在刀具的前刀面，溫度隨著塗層刀具的深度而降低。相關文獻的研究都只側重在塗層性能的研究，對刀具體溫度分布的分析還不夠深入，沒有得到刀具體溫度分布的模型。
Zhang S.等研究了單塗層刀具中一維瞬態溫度的分布，使用拉普拉斯變換獲得單層塗層切削刀具瞬態溫度分布的解析表達式，研究結果表明塗層材料、基底材料和塗層厚度等因素對單層塗層刀具的溫度分布有一定的影響，但Zhang S.的模型沒有通過實驗來驗證。Zhang J.等基於非傅立葉定律建立一維熱傳導模型來計算單層塗層（選用TiN、TiC、Al2O3三種材料）刀具的溫度分布，利用拉普拉斯變換求解，並通過實驗對模型進行驗證，同樣得出Al2O3塗層比TiN和TiC塗層具有更好的隔熱效果。雖然目前的單塗層刀具熱傳導模型都還只是研究塗層厚度方向上的溫度變化，側重在刀具塗層性能的分析，但是這些研究成果可以幫助選擇金屬切削過程中的刀具塗層材料。
(3)多塗層刀具的熱傳導模型
對於多塗層刀具的研究方法主要有直接法和等效法兩種，由於直接法一般將各個塗層按各自的厚度和物理特性加在刀具基體上，忽略了塗層厚度不均勻和層間材料的擴散影響。因此，很多研究者在建立多塗層刀具熱傳導模型通常採用等效法，等效法考慮將多塗層等效為一種材料進行處理，採用等效熱擴散係數和等效熱傳導係數（見圖4）。
對於等效塗層的熱性能參數，研究者們做了大量的工作。Grzesik W.等通過考慮把相關熱性能（即熱導率、熱容量和熱擴散率）等效處理成一種均勻堆疊層來研究塗層效應。提供了基於物理學的模型，用於研究未塗層硬質合金刀具和塗有Al2O3中間層的多塗層刀具—切屑接觸面的平均溫度和峰值溫度，但沒有很好地分析塗層間的相互影響。通過考慮塗層和基體間擴散層的作用來計算等效熱導率，相關文獻提出基於擴散層的熱傳導分析模型，相比不考慮擴散層的作用，這種方法與刀具溫度實測值更為接近，但還需進一步摸索塗層材料和基體材料間的相互作用。
圖4 等效法熱傳導模型
在此基礎上，Yen Y.C.等將等效熱容量引入到對TiN/Al2O3/TiC（1μm-TiN，3μm-Al2O3，6μm-TiC）塗層刀具正交切削AISI 1045鋼的模擬中，獲得了三層塗層刀具中溫度的穩態解。使用等效熱導性和等效熱擴散性的複合塗層表現出的溫度結果與實驗值一致，但該模型並沒有考慮到熱源和刀具—切屑接觸面的溫度場。Grzesik W.等建立了連續切屑形成時的平面應變金屬正交切削的熱力耦合模型，其分析模型預測了層數逐漸增加的塗層刀具的熱特性和熱分配值。該模型還能夠預測熱源強度、剪切區和刀—屑接觸區的溫度分布，但需要預先確定材料的摩擦係數，摩擦係數的確定影響著模型的精度。因此，在相關文獻中應用基於物理學的複合層建模概念，提出了估算切屑熱分配比和刀具—切屑接觸面溫度的新混合分析模型，可以在90-240m/min的切削速度範圍內以較高精度預測多塗層刀具在刀具—切屑接觸面溫度的平均值和峰值，預測結果和實驗數據具有較高的一致性。預測的接觸面溫度有助於設計刀具的多塗層，以避免刀具產生過度的熱載荷。
小結
針對高硬度合金的高速加工，本文圍繞前刀面溫度場和內部溫度場兩個方面，總結近年來刀具溫度場的研究進展，分析了影響刀具溫度的因素。從研究趨勢上看，刀具溫度場的研究仍有以下問題需要進一步探索：
（1）切削過程中刀具溫度的測量技術尤為重要，有助於直接了解刀具體的溫度分布情況，同樣這對驗證切削溫度的理論模型和數值模型的有效性也特別有幫助，需要進一步開發高響應速度和高精確度的溫度測量技術。
（2）對於刀具體熱傳導模型的研究還不夠，當前已有的刀具體熱傳導模型普遍只考慮到了作用在刀具前刀面上的熱源，而忽略了後刀面熱源對刀具內部溫度場的影響，需要進一步研究瞬態條件下應用的切削刀具熱傳導模型。
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