刀具涂层缺陷数字化表征及其对摩擦学性能影响规律研究

刀具涂层缺陷是涂层制备过程中不可避免产生的，是制约高精度数控机床加工性能的重要因素之一。科学地表征刀具涂层缺陷，确定缺陷对刀具摩擦学性能和切削加工性能的影响规律，对于提高涂层刀具质量和应用水准，改变我国高档数控机床大量使用进口刀具的状况，具有重要的理论意义和实用价值。本课题将运用现代表面分析手段对涂层缺陷进行三维数字化表征，研究涂层缺陷分类方法，建立涂层缺陷几何模型；通过涂层摩擦学性能和涂层刀具切削加工性能试验，研究涂层缺陷对摩擦学性能和切削加工性能的影响，根据摩擦学系统理论，建立数学关系模型；针对"以车代磨"和"以铣代磨"等数控机床高精加工工艺，提出刀具涂层缺陷控制规范 ，初步形成高精加工用刀具涂层缺陷控制理论基础，为提高我国刀具涂层技术水平、改善涂层质量提供理论和技术支撑。

刀具涂层缺陷是涂层制备过程中不可避免产生的，是制约高精度数控机床加工性能的重要因素之一。科学地表征刀具涂层缺陷，确定缺陷对刀具摩擦学性能和切削加工性能的影响规律，对于提高涂层刀具质量和应用水准，改变我国高档数控机床大量使用进口刀具的状况，具有重要的理论意义和实用价值。.课题从刀具涂层缺陷的三维表征入手，运用AFM、WLCM和SEM等现代表面三维分析技术并结合相关计算机软件方法成功实现了对硬质合金刀具涂层典型缺陷的三维数字化表征。.在对国内外硬质合金涂层刀具样品的大量分析的基础上（包括：车、铣、钻，不同几何参数、不同涂层等），结合国外在涂层分类方面的研究成果，提出了针对我国硬质合金可转位涂层刀具的涂层缺陷分类方法，即：大液滴缺陷、暴露基体缺陷、孔洞缺陷三类，其主要特征是某一维尺寸大于10μm，可能对高精度加工产生不利影响。.探讨了涂层缺陷形成机理、分布特征和摩擦过程中的变化规律，采用FIB和EDS技术研究了涂层大颗粒缺陷的内部成分分布，发现涂层缺陷与基体有良好的连续性，确定基体的不平度或吸附在基体表面的外来杂质颗粒是大液滴缺陷的形核的起源。这一发现，对于减小大液滴缺陷、实现刀具涂层缺陷控制具有重要意义。.构建了基于数控机床的硬质合金可转位涂层刀片切削性能测试平台和实验室UMT试验机平台，开发出获得专利授权的“测量三向车削力的装置”和“多功能摩擦磨损试验机可变换组合夹具”，为深入试验研究涂层摩擦学性能和涂层刀具切削加工性能试验创造了条件。.在车削试验和摩擦学性能试验的基础上，结合DEFORM和ABAQUS有限元仿真，研究了涂层缺陷对摩擦学性能和切削加工性能的影响，确定了大液滴缺陷和暴露基体缺陷对刀具主切削力、摩擦系数和工件表面粗糙度的影响规律。.针对“以车代磨”高精加工工艺，开展控制涂层缺陷技术研究，在优化工艺试验基础上，确定了脉冲偏压、电弧电流和基体温度三个对TiAlN薄膜表面形成的“大颗粒”有较明显影响的工艺参数和综合性能良好的工艺规范，所制备的涂层刀具（型号DCGT11T304）用于斯宾纳TC800高精密通用车床加工活塞杆工件（直径40mm，长度415mm,45钢）试验，工件表面粗糙度到达1. 55μm，优于同类进口刀具，使用寿命也有所提高。.课题研究工作为发展高精加工用刀具涂层缺陷控制理论、提高我国刀具涂层技术水平提供了大量的基础试验数据和一定的理论和技术支撑