梯度涂层高速钢刀具切削性能及磨损失效机理研究

摘要

现代金属切削加工正超着高速、高精度、高效、智能和环保的方向发展，对刀具性能的要求越来越高。实践表明，仅从刀具设计和制造工艺或材料方面进行刀具性能的整体改善，不仅技术上难度很大，而且资源利用上极不经济。利用表面涂层技术，通过对刀具表面进行改性处理，是提高刀具综合性能和加工效率的有效途径，已得到世界各国制造界的高度重视和认可，并得到迅速发展和推广应用。 论文以高速钢刀具为研究对象，将现代摩擦学理论与金属切削理论结合起来，分析了金属切削过程中刀一屑与刀．工接触界面间的摩擦特性，建立了切削摩擦学分析模型及评价刀具磨损失效的方法；针对涂层材料与高速钢的性能差异，在分析高速钢刀具涂层设计原则的基础上，引入功能梯度材料的设计概念，设计了具有梯度结构的CrAlTiN硬涂层和类石墨(GLC，Graphit-like carbon)固体润滑涂层；利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀方法，成功地实现了M2高速钢刀具表面涂层制备。 研究了涂层性能的试验方法，实现了涂层与基体结合强度、摩擦特性及微观组织结构的测定和分析，获得了两种与高速钢基体结合和匹配性好、组织均匀致密、达纳米尺度晶粒、具有良好抗摩擦磨损性能的涂层组织结构和制备工艺方法，为提高和改善刀具切削性能提供了保证。 采用直接测量刀具磨损和切削力的方法，研究了涂层高速钢刀具在干式切削条件下加工不同材料的切削性能及其适应性。通过对不同材料的车削、钻削及铣削试验，对CrAlTiN和GLC梯度涂层高速钢刀具在切削过程中的磨损形式、刀具寿命及切削力等方面进行了大量的实验研究，并与未涂层刀具等进行了分析对比，获得了不同加工方式下涂层刀具磨损、切削力以及积屑瘤产生的变化规律，从而形成了CrAlTiN和GLC梯度涂层刀具的适应范围和切削条件，对扩大高速钢刀具的使用范围，减小刀具磨损，提高刀具寿命，降低切削力和粘屑，稳定尺寸精度和加工质量，提高加工效率找到了有效的途径。 采用扫描电子显微镜和场发射扫描电子显微镜对刀具磨损区域进行了观察和分析，研究了涂层对高速钢刀具的改性机理及涂层高速钢刀具的磨损特性和失效机理。结果表明，涂层降低刀具温度，主要不是因为涂层对高速钢刀具基体的隔热作用，而是通过减小由切削变形功和刀-屑与刀-工间的摩擦功转化的热量，以及传导到刀具的切削热比例所引起的；并获得了刀具耐磨性高，在切削速度较低时，主要是涂层的高硬度和高耐磨性起作用，而切削速度较高时，主要涂层的高化学稳定性和耐热性起作用的重要结论。在车削实验中，发现了前刀面月牙洼形成及发展的变化规律，研究了涂层在磨损过程中的作用，得出了正常磨损情况下，月牙洼的形成发展三阶段磨损机理。 在钻削实验中，获得了GLC梯度涂层良好的固体润滑效果，特别是钻削铝硅合金或低速钻削钢料时对粘屑及积屑瘤的抑制作用，使孔的尺寸精度和表面质量明显提高；并发现了CrAlTiN梯度涂层钻头在干式切削条件下刀具各部分的磨损规律。 铣削实验表明，在正常磨损情况下CrAlTiN梯度涂层立铣刀主、副后刀面转角以磨粒磨损形成的三角形为主要磨损形式。 研究开发了一种气泡雾化小量冷却润滑系统，并对喷嘴下游流场特性进行了分析；在此基础上进行了小量冷却润滑条件下涂层刀具的切削试验。结果表明，刀具磨损、粘屑现象大大减小，刀具寿命显著延长，是一种很有发展前景的切削加工技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2高速钢刀具涂层技术的发展及研究现状

1.2.1硬涂层技术的发展及研究现状

1.2.2软/固体润滑涂层技术的发展及研究现状

1.2.3闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术

1.3涂层高速钢刀具切削性能和磨损机理的研究现状

1.4小量冷却润滑与涂层刀具结合的研究现状

1.5高速钢刀具涂层技术的发展趋势及存在的不足

1.6本文的主要研究工作及研究方法

2切削摩擦学特性及刀具材料的性能要求

2.1摩擦理论简介

2.1.1摩擦种类及其性质

2.1.2经典摩擦定律

2.1.3一般摩擦理论

2.1.4粘结理论

2.1.5分层磨损理论

2.1.6典型的磨损过程

2.2切削摩擦学特性

2.2.1刀具前刀面上的摩擦

2.2.2刀具切削刃及后刀面上的摩擦

2.2.3切削力与切削温度

2.2.3刀具磨损的原因与本质

2.2.4刀具磨损形态

2.2.5刀具破损的原因与本质

2.3刀具材料应具备的性能

2.4本章小结

3高速钢刀具梯度涂层制备及性能分析

3.1高速钢刀具涂层的设计原则

3.2 CrAlTiN和GLC梯度涂层的制备

3.2.1刀具基体及沉积设备

3.2.2 CrAlTiN梯度涂层的沉积

3.2.3 GLC梯度涂层的沉积

3.2.4涂层分析仪器与设备

3.2.5涂层性能测定仪器与设备

3.3 CrAlTiN梯度涂层的实验结果与分析

3.3.1涂层的形貌、成分及组织结构

3.3.2涂层的摩擦磨损特性

3.3.3涂层的热稳定性

3.3.4热氧化对涂层摩擦磨损性能的影响

3.4GLC梯度涂层的实验结果与分析

3.4.1涂层的形貌、成分及组织结构

3.4.2涂层的摩擦磨损特性

3.5本章小结

4涂层高速钢刀具干式切削性能的实验研究

4.1实验装备及试验方法

4.1.1实验设备及刀具选择

4.1.2试件材料及性能

4.1.3实验方法及测试原理

4.2CrAlTiN涂层高速钢麻花钻的钻削试验结果与分析

4.2.1钻头寿命

4.2.2钻头磨损

4.2.3钻削力

4.2.4切屑形态与钻孔质量

4.3 CrAlTiN涂层高速铡立铣刀的铣削试验结果与分析

4.3.1铣刀寿命

4.3.2铣刀磨损

4.4 GLC涂层高速钢麻花钻的钻削试验结果与分析

4.4.1钻削钢料时的结果与分析

4.4.2钻削铝硅合金时的结果与分析

4.5本章小结

5涂层对高速钢刀具的改性机理分析

5.1涂层热传导特性分析

5.2涂层对刀具前刀面的改性机理

5.2.1涂层提高刀具耐高温性能的作用

5.2.2涂层改善刀-屑接触界面间摩擦状态的作用

5.2.3涂层降低切削温度的作用

5.2.3涂层分散载荷、均衡磨损的作用

5.2.4涂层的动态改性作用

5.3涂层对刀具后刀面的改性机理

5.4涂层与刀具基体的匹配作用

5.5本章小结

6 CrAlTiN涂层高速钢刀具磨损特性及失效机理研究

6.1 CrAlTiN涂层高速钢车刀的磨损特性

6.1.1车刀前刀面的磨损特性及磨损机理

6.1.2车刀后刀面的磨损特性及磨损机理

6.2 CrAlTiN涂层高速钢麻花钻的磨损特性

6.2.1主切削刃后刀面的磨损特性和磨损机理

6.2.2横刃区域的磨损特性

6.3 CrAlTiN涂层高速钢立铣刀的磨损特性

6.4本章小结

7基于小量润滑涂层高速钢刀具切削性能的研究

7.1小量冷却润滑原理及液体雾化理论

7.1.1小量冷却润滑原理

7.1.2液体雾化基本理论

7.2气泡雾化喷嘴小量冷却润滑系统设计及下游流场建模

7.2.1气泡雾化喷嘴小量冷却润滑系统设计

7.2.2气泡雾化喷嘴下游流场建模

7.3气泡雾化喷嘴下游流场特性分析

7.3.1喷嘴劣化特性参数

7.3.2喷嘴参数及工况参数对雾化效果的影响

7.4切削实验结果及分析

7.4.1 Al-Si合金钻削实验结果及分析

7.4.2铣削实验结果及分析

7.5本章小结

8结论与展望

8.1结论

8.2发展与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及研究成果