论文摘要
刀具涂层技术作为提高刀具切削性能的有效途径,已引起世界各国制造业的高度重视,得到了迅速的发展和推广应用。本文采用先进的闭合场非平衡磁控溅射离子镀复合PVD技术,制备了CrAlTiN多元复合涂层,研究分析了涂层特性及涂层高速钢刀具的切削性能、磨损机理和应力分布状况。用扫描电子显微电镜(SEM)和投射电子显微电镜(TEM)对涂层表面和截面的观察结果表明,磁控溅射CrAlTiN多元复合涂层与高速钢基体的匹配较为理想,涂层组织均匀、细密;结合X射线衍射(XRD)分析,涂层沿厚度具有结构和成分的双重梯度结构,以及高的热稳定性;用压痕、划痕和针盘等试验表明,涂层具有高的硬度和韧性,优异的抗摩擦、磨损性能,且与基体结合良好。用CrAlTiN多元复合涂层M2高速钢刀具进行了大量的干式车削和铣削试验,研究分析了涂层刀具的切削性能。结果表明,与未涂层刀具相比,CrAlTiN多元复合涂层M2高速钢刀具的切削性能明显改善,切削力减小,切削过程平稳,刀具磨损减小,寿命延长。用数理统计方法建立了涂层刀具切削力与刀具寿命的经验公式,揭示了切削力与刀具寿命随切削用量变化的规律。通过对刀具磨损区域的观察分析,表明涂层刀具具有与未涂层刀具明显不同的磨损形貌和磨损规律。涂层刀具的初期磨损阶段较短,正常磨损阶段明显延长;涂层能阻碍刀具磨损,但在各个磨损阶段涂层的作用不同。进一步用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对刀具磨损表面进行成分分析,结果表明涂层车刀前刀面磨损区有少量涂层以片状结构的形式存在,涂层车刀后刀面的氧化磨损比前刀面严重;涂层铣刀前刀面的扩散磨损和氧化磨损都很小,主要是磨粒磨损,涂层铣刀后刀面涂层脱附现象明显。用有限元法(FEM)分析了涂层与未涂层M2高速钢车刀的应力分布状态,获得了其von Mises等效应力分布,发现前刀面上出现最大von Mises等效应力的区域,涂层车刀距切削刃较远,而未涂层车刀距切削刃较近。表明涂层具有保护刀具切削刃,避免产生崩刃的作用。结合对涂层车刀前刀面磨损区域的观察,发现其初期磨损区域基本上与出现最大von Mises等效应力的区域吻合,表明机械应力是导致涂层早期失效的主要原因。
论文目录
摘要Abstract1 绪论1.1 课题来源及研究意义1.2 高速钢刀具涂层技术的发展现状及存在问题1.2.1 发展现状和发展趋势1.2.2 性能特点1.2.3 存在问题1.3 本课题的主要研究内容2 涂层的制备及特性2.1 涂层制备原理与装置2.1.1 磁控溅射原理及演变2.1.2 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术及装置2.2 涂层制备工艺2.2.1 涂层设计思路2.2.2 涂层制备工艺2.3 涂层特性2.3.1 涂层的组织形貌及成分分析2.3.2 CrAlTiN涂层的热稳定性2.4 本章小结3 CrAlTiN涂层刀具的切削性能3.1 切削试验方案3.1.1 试验条件3.1.2 试验方法3.2 CrAlTiN涂层刀具切削力试验研究3.2.1 CrAlTiN涂层与未涂层刀具切削力的对比3.2.2 CrAlTiN涂层刀具切削力的经验公式3.3 CrAlTiN涂层高速钢刀具的磨损特性3.3.1 涂层与未涂层刀具磨损特性的比较3.3.2 CrAlTiN涂层高速钢刀具的切削用量优化3.3.3 CrAlTiN涂层高速钢刀具寿命的广义Taylor公式3.4 本章小结4 CrAlTiN涂层高速钢刀具的磨损特性及磨损机理4.1 刀具磨损4.1.1 正常磨损4.1.2 非正常磨损4.2 涂层高速钢刀具磨损形态分析4.2.1 CrAlTiN涂层高速钢刀具的前刀面磨损4.2.2 CrAlTiN涂层高速钢刀具后刀面的磨损4.2.3 CrAlTiN涂层高速钢刀具的边界磨损4.3 CrAlTiN涂层高速钢刀具的磨损规律4.3.1 CrAlTiN涂层高速钢刀具前刀面磨损的扩展及涂层作用4.3.2 CrAlTiN涂层高速钢刀具后刀面磨损的扩展及涂层作用4.4 CrAlTiN涂层高速钢刀具磨损区域的表面成分分析4.5 CrAlTiN涂层高速钢刀具的失效特征分析4.5.1 正常磨损情况下的失效4.5.2 非正常磨损情况下的失效4.5.3 涂层破损机理研究4.6 防止涂层刀具失效的措施4.7 本章小结5 CrAlTiN涂层高速钢刀具应力分布的有限元分析5.1 刀具前、后刀面摩擦状况分析5.2 涂层高速钢刀具的有限元建模5.3 涂层高速钢刀具应力场分析5.4 本章结论6 结论与展望6.1 全文总结6.2 发展与展望致谢参考文献攻读硕士学位期间发表论文与参与项目
相关论文文献
标签：涂层论文; 高速钢刀具论文; 切削性能论文; 磨损机理论文; 应力场分布论文;
