涂层氮化硅刀具切削性能及其应用扩展研究

摘要

随着切削加工的高速、高精、高效、智能和环保化，单从刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求是很难达到的，从刀具切削失效的大量实例可见，绝大部分的失效往往与材料表面的物理、化学、力学等构成的表面性能分不开。陶瓷刀具因高硬度、高耐磨性和耐热性著称，被广泛应用于汽车及模具行业的切削加工刀具。但是，陶瓷刀具韧性差，对表面状态非常敏感，因此，陶瓷材料表面改性便成为一个热门课题。
　　近年来涂层技术的不断发展，在陶瓷不导电基体材料上涂覆耐磨可靠的涂层已变成可能。本文通过大量的切削实验和材料科学微观观察手段(SEM/EDS)，针对氮化硅陶瓷刀具的应用特点，主要作了如下两个方面的研究。
　　一个是对TiN+Al2O3涂层氮化硅刀具切削HT250的刀具寿命以及刀具磨损机理进行了切削实验研究。分析了不同切削参数对涂层氮化硅刀具使用寿命的影响，并分析了其区别于无涂层陶瓷刀具的特点。根据实验结果，TiN+Al2O3涂层氮化硅陶瓷刀具由于本身基体的优良机械物理性能及涂层的耐磨、化学隔障层等作用，使得涂层陶瓷刀具可以在较高的Vc、ap和f下进行干切削，可以很大程度的提高加工效率。刀具的失效形式为磨粒磨损、氧化粘结磨损，其中主要失效形式为磨粒磨损。并根据数理统计知识建立了TiN+Al2O3涂层氮化硅刀具切削HT250的刀具寿命与切削参数之间的广义Taylor公式。
　　一个是对涂层陶瓷刀具的扩展应用问题作了研究，研究目标选定为Al2O3/TiN涂层氮化硅刀具切削合金钢AISI4340的刀具寿命和刀具磨损机理。经过实验分析，添加涂层后氮化硅刀具切削合金钢AISI4340的主要失效形式发生了转变，从前刀面月牙洼磨损转变为后刀面磨损，并发现涂层非常显著的对磨损起到边界抑制作用。并对陶瓷刀具切削合金钢AISI4340时的排屑问题进行实验研究，发现在合适的切削参数下，切屑会从工件上被切除后沿远离工件和刀杆方向飞出并顺利排出。而达到这一理想状态的参数选择遵循一些规律，首先需要较高的切削速度Vc，如实验中测试的刀具切削速度为500m/min;其次，f和ap的选择应根据工件材料和两者之间的相互适应确定。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 适应当代加工要求的新理念——高速切削加工(HSM)

1．1．1 高速切削的概念

1．1．2 高速切削的优点

1．2 高速切削加工用刀具

1．2．1 陶瓷刀具

1．2．2 金属陶瓷

1．2．3 立方氮化硼(PCBN)

1．2．4 聚晶金刚石(PCD)

1．3 课题来源、研究目标及意义

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究背景及意义

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 研究目标

第二章 涂层Si3N4陶瓷刀具课题研究方法

2．1 课题研究方法、实验条件

2．1．1 实验系统

2．1．2 课题技术路线

2．2 实验方案

2．2．1 涂层Si3N4陶瓷刀具切削铸铁切削参数优化及磨损机理研究

2．2．2 涂层Si3N4刀具切削AISI 4340及切屑形状控制研究

2．2．3 自制涂层切削性能研究

第三章 涂层Si3N4刀具切削铸铁的切削性能试验研究

3．1 前言

3．2 涂层氮化硅刀具切削HT250试验

3．2．1 实验条件及过程

3．2．2 实验结果与讨论

3．2．3 刀具寿命的广义Taylor公式

3．3 涂层氮化硅刀具切削HT250的失效机理研究

3．3．1 涂层氮化硅刀具前刀面磨损分析

3．3．2 涂层氮化硅刀具后刀面磨损分析

3．4 不同涂层材料的陶瓷刀具切削性能分析

第四章 涂层氮化硅刀具切削钢的切削性能研究

4．1 前言

4．2 实验过程和材料

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 涂层氮化硅刀具切削AISI 4340刀具寿命性能研究

4．3．2 涂层氮化硅刀具切削钢类材料的磨损机理研究

4．3．3 加工表面粗糙度研究

4．4 涂层陶瓷刀具切削钢类材料时切屑形状控制研究

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．1．1 TiN+Al2O3涂层氮化硅刀具切削HT250的切削实验研究

5．1．2 涂层陶瓷刀具的扩展应用研究

5．2 论文创新点

5．3 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢