ZrN涂层刀具的切削性能研究

摘要

ZrN具有硬度高、熔点高、热稳定性好、耐磨性好等许多刀具材料所应具备的特点，把其应用于刀具涂层，前景广阔。本文以课题组研制的具有高硬度和高膜基结合强度的ZrN系列涂层刀具(DZ、GZZ、FZT)为研究对象，对其切削性能、加工过程、磨损性能及机理进行系统的研究。 对ZrN系列涂层刀具的切削性能进行了试验研究，并与无涂层的YT15刀具和CN25涂层刀具进行对比。试验结果表明：在相同切削条件下加工45＃钢和40Cr钢时，ZrN系列涂层刀具的切削力、切削温度均明显低于无涂层的YT15刀具，而工件表面粗糙度相差较小；其中GZZ涂层刀具的切削力、切削温度最小，其切削性能最好。 利用有限元方法(FEM)对ZrN涂层刀具的切削过程进行建模和仿真，研究了其切削力、温度场、应力场及与切削速度的关系。研究表明：ZrN涂层刀具切削力小于YT15刀具；切削初始阶段，ZrN涂层刀具的温度低于YT15刀具，若切削时间延长，ZrN涂层刀具的基体温度可能会等于或超过YT15刀具温度，涂层刀具在高速断续切削中涂层热障作用明显；ZrN涂层刀具和无涂层的YT15刀具的应力变化趋势基本类似，涂层刀具应力略低于YT15刀具，各涂层应力相差较小。 对ZrN系列涂层刀具的磨损性能及机理进行了试验研究和理论分析，并与无涂层的YT15刀具和CN25涂层刀具进行对比。结果表明：加工45＃钢时，刀具后刀面磨损量由大到小顺序为YT15>FZT>DZ>GZZ；加工40Cr钢时，ZrN涂层刀具后刀面磨损量较CN25涂层刀具稍小。ZrN涂层刀具前刀面的主要磨损形式为粘结磨损和涂层剥落，后刀面的主要磨损形式为磨料磨损，三种磨损形式可能会同时发生，并相互影响。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1课题的提出与意义

1.2涂层刀具的研究现状

1.2.1涂层刀具的种类

1.2.2常用的涂层材料和涂层方式

1.2.3涂层刀具的性能特点

1.2.4涂层刀具的切削机理

1.3 ZrN涂层的研究现状

1.3.1 ZrN材料的物理力学性能

1.3.2 ZrN涂层的制备方法和应用领域

1.3.3 ZrN涂层的研究现状

1.4涂层刀具的切削性能研究

1.5本课题的主要研究内容

第2章 ZrN涂层刀具切削性能的试验研究

2.1试验条件

2.2切削力的试验研究

2.2.1切削力

2.2.2经验公式

2.3表面粗糙度的试验研究

2.3.1表面粗糙度

2.3.2经验公式

2.4切削温度的试验研究

2.5本章小结

第3章 ZrN涂层刀具切削过程的仿真研究

3.1基于有限变形理论的热力耦合基本方程

3.1.1有限变形下的热力耦合弹塑性有限元方程

3.1.2温度计算的基本方程

3.1.3热力耦合计算的基本方程

3.2切削过程有限元模拟的技术路线

3.2.1切削过程有限元模型的假设

3.2.2切削模型

3.2.3材料的本构方程

3.2.4材料的分离准则

3.2.5刀具前刀面摩擦系数的确定

3.2.6金属切削热传导分析

3.2.7模型约束定义

3.2.8模型的分析步设置

3.2.9工件材料性能参数

3.2.10刀具参数

3.3 ZrN涂层刀具的切削过程仿真

3.3.1主切削力

3.3.2刀具应力

3.3.3切削温度

3.4本章小节

第4章 ZrN涂层刀具的磨损性能研究

4.1 ZrN涂层刀具后刀面磨损试验

4.1.1切削45#钢

4.1.2切削40Cr钢

4.2 ZrN涂层刀具的磨损形貌

4.2.1切削45#钢

4.2.2切削40Cr钢

4.3本章小节

第5章结论

参考文献

致谢