梯度涂層高速鋼刀具切削性能及磨損失效機(jī)理研究.pdf

1、現(xiàn)代金屬切削加工正超著高速、高精度、高效、智能和環(huán)保的方向發(fā)展，對(duì)刀具性能的要求越來越高。實(shí)踐表明，僅從刀具設(shè)計(jì)和制造工藝或材料方面進(jìn)行刀具性能的整體改善，不僅技術(shù)上難度很大，而且資源利用上極不經(jīng)濟(jì)。利用表面涂層技術(shù)，通過對(duì)刀具表面進(jìn)行改性處理，是提高刀具綜合性能和加工效率的有效途徑，已得到世界各國(guó)制造界的高度重視和認(rèn)可，并得到迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。 論文以高速鋼刀具為研究對(duì)象，將現(xiàn)代摩擦學(xué)理論與金屬切削理論結(jié)合起來，分析了金屬切

2、削過程中刀一屑與刀．工接觸界面間的摩擦特性，建立了切削摩擦學(xué)分析模型及評(píng)價(jià)刀具磨損失效的方法；針對(duì)涂層材料與高速鋼的性能差異，在分析高速鋼刀具涂層設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，引入功能梯度材料的設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)了具有梯度結(jié)構(gòu)的CrAlTiN硬涂層和類石墨(GLC，Graphit-like carbon)固體潤(rùn)滑涂層；利用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍方法，成功地實(shí)現(xiàn)了M2高速鋼刀具表面涂層制備。 研究了涂層性能的試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度

3、、摩擦特性及微觀組織結(jié)構(gòu)的測(cè)定和分析，獲得了兩種與高速鋼基體結(jié)合和匹配性好、組織均勻致密、達(dá)納米尺度晶粒、具有良好抗摩擦磨損性能的涂層組織結(jié)構(gòu)和制備工藝方法，為提高和改善刀具切削性能提供了保證。 采用直接測(cè)量刀具磨損和切削力的方法，研究了涂層高速鋼刀具在干式切削條件下加工不同材料的切削性能及其適應(yīng)性。通過對(duì)不同材料的車削、鉆削及銑削試驗(yàn)，對(duì)CrAlTiN和GLC梯度涂層高速鋼刀具在切削過程中的磨損形式、刀具壽命及切削力等方面進(jìn)行

4、了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并與未涂層刀具等進(jìn)行了分析對(duì)比，獲得了不同加工方式下涂層刀具磨損、切削力以及積屑瘤產(chǎn)生的變化規(guī)律，從而形成了CrAlTiN和GLC梯度涂層刀具的適應(yīng)范圍和切削條件，對(duì)擴(kuò)大高速鋼刀具的使用范圍，減小刀具磨損，提高刀具壽命，降低切削力和粘屑，穩(wěn)定尺寸精度和加工質(zhì)量，提高加工效率找到了有效的途徑。 采用掃描電子顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)刀具磨損區(qū)域進(jìn)行了觀察和分析，研究了涂層對(duì)高速鋼刀具的改性機(jī)理及涂層高速鋼刀具

5、的磨損特性和失效機(jī)理。結(jié)果表明，涂層降低刀具溫度，主要不是因?yàn)橥繉訉?duì)高速鋼刀具基體的隔熱作用，而是通過減小由切削變形功和刀-屑與刀-工間的摩擦功轉(zhuǎn)化的熱量，以及傳導(dǎo)到刀具的切削熱比例所引起的；并獲得了刀具耐磨性高，在切削速度較低時(shí)，主要是涂層的高硬度和高耐磨性起作用，而切削速度較高時(shí)，主要涂層的高化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性起作用的重要結(jié)論。在車削實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了前刀面月牙洼形成及發(fā)展的變化規(guī)律，研究了涂層在磨損過程中的作用，得出了正常磨損情況下，

6、月牙洼的形成發(fā)展三階段磨損機(jī)理。 在鉆削實(shí)驗(yàn)中，獲得了GLC梯度涂層良好的固體潤(rùn)滑效果，特別是鉆削鋁硅合金或低速鉆削鋼料時(shí)對(duì)粘屑及積屑瘤的抑制作用，使孔的尺寸精度和表面質(zhì)量明顯提高；并發(fā)現(xiàn)了CrAlTiN梯度涂層鉆頭在干式切削條件下刀具各部分的磨損規(guī)律。 銑削實(shí)驗(yàn)表明，在正常磨損情況下CrAlTiN梯度涂層立銑刀主、副后刀面轉(zhuǎn)角以磨粒磨損形成的三角形為主要磨損形式。 研究開發(fā)了一種氣泡霧化小量冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，并對(duì)噴