ZrN涂层刀具的切削性能研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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
• 学位论文评阅及答辩情况表