刀具及刀具涂层损伤失效研究综述

准确评估刀具和刀具涂层的损伤失效情况对于刀具的服役性能评价与寿命预测至关重要。综述了刀具、刀具涂层损伤失效的理论和实验研究现状：对刀具损伤失效的理论研究主要集中于磨损模型的建立,包括粘结磨损模型、扩散磨损模型、磨粒磨损模型等。对刀具损伤失效的实验研究主要集中于观察不同切削参数的切削实验中刀具的磨损情况及其对已加工工件表面粗糙度的影响情况;对涂层损伤失效的理论研究主要是结合弹性力学与断裂力学理论建立涂层损伤失效的临界应力（应变）模型,对刀具涂层损伤失效的实验研究大多是采用无涂层刀具与涂层刀具的对比切削实验,通过观察刀具表面形貌随切削时间或切削距离的增加而改变的情况,分析刀具涂层剥落位置和面积大小,以及涂层剥落情况与刀具使用寿命间的关系。此外,分析了刀具涂层可能的损伤失效机理,指出了刀具涂层领域尚待深入研究的问题。     

TiN涂层插齿刀的切削性能

对空心阴极（ＨＣＤ）控制备的ＴｉＮ涂层的金属学特性以及涂层刀县的切削性能进行了研究。在本文试验条件下，涂层结构为展状．硬度高达ＨＶ２１５７，残余应力为压应力，刀具寿命为未涂层刀具的４．７５倍。阐明了ＴｉＮ涂层高速钢刀具切削性能优于未涂层高速钢刀具的内在原因。     

高速切削GH2132涂层刀具表面及次表面性能演变研究

高速切削过程中,涂层刀具表面性能及次表面残余应力的变化会直接影响刀具的切削性能。采用PVD-TiAlN硬质合金涂层刀具进行高速车削GH2132高温合金试验,研究刀具表面性能在切削过程中的变化规律,并用拉曼光谱法测量了刀具不同磨损阶段的涂层次表面残余应力分布。结果表明,刀具在完整寿命期间内,表面残余压应力和表面显微硬度均呈先增大后减小的趋势。刀具从未磨损到稳定磨损阶段中期,涂层截面残余应力均为残余压应力占主体且沿深度方向逐渐增大,但切削至稳定磨损阶段后期时,涂层在靠近基体位置出现残余压应力减小的现象。在稳定磨损阶段前期,刀具有最佳的表面性能及最大的次表面压应力,此时刀具切削性能最佳,刀具磨损缓慢。     

热障涂层在多次热循环作用下残余应力的模拟

采用热弹塑性有限元方法,对热障涂层多次热循环降温过程中由于热梯度和材料参数不匹配而产生的残余应力进行了数值模拟,分析了平面和曲面的界面形貌对界面残余应力的影响.结果表明,在相同材料参数情况下,陶瓷层与粘接层的界面形状对残余应力及结构稳定状态有显著的影响,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,不利于增强界面结合强度和涂层结构的热稳定性.该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义.     

涂层刀具残余应力的分析与试验验证

用ANSYS分析涂层刀具主截面的残余应力，获得应力场分布与应力分布曲线。应用X射线应力测量法获得残余应力实际值，验证应力分布的正确性。涂层材料选择的是TiN，刀具材料选择的是高速钢和WC硬质合金。     

表面处理对TiAlSiN涂层刀具表面完整性及切削性能的影响研究

涂层刀具在高速干切削钛合金时容易出现刀具磨损严重、刀具寿命短等问题,对涂层刀具进行表面处理能改善涂层刀具的表面完整性,是提高涂层刀具耐磨性和切削寿命的有效途径。选取TiAlSiN涂层刀具,分别进行深冷处理、微喷砂处理和深冷+微喷砂处理,研究不同处理方法对涂层刀具表面完整性(包括表面形貌、表面粗糙度、显微硬度和表面残余应力等)的影响,并进行钛合金高速干切削试验,分析不同处理方法对涂层刀具切削性能的影响,探究提高涂层刀具耐磨性和切削寿命的方法。结果表明：与单一深冷处理和微喷砂处理相比,深冷+微喷砂处理后涂层刀具表面完整性明显改善,刀具寿命显著提高。深冷+微喷砂处理能减少刀具崩刃、月牙洼磨损和磨粒磨损,有效提高涂层刀具耐磨性。     

液氮低温铣削GH4169合金时涂层刀具表面完整性及磨损研究

高速切削过程中,刀具表面完整性的变化与刀具磨损具有紧密联系,采用PVD-TiN/TiAlN硬质合金涂层刀具进行液氮低温铣削GH4169合金试验,研究不同喷射温度时刀具的表面完整性(包括表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力)及其与刀具磨损的关系。结果表明,在刀具磨损影响下,涂层刀具表面粗糙度变化趋势一致,刀具表面显微硬度与表面残余应力随刀具后刀面磨损量的增加先增大后减小;与喷射温度为-30℃相比,喷射温度为-90℃时涂层刀具的表面显微硬度与表面残余压应力更大,在铣削过程中更快达到最大值。喷射温度为-90℃时涂层刀具的表面完整性得到提升,刀具耐磨性提高,稳定磨损阶段持续时间延长,刀具寿命显著提升。     

微喷砂前处理对AlCrN涂层刀具表面完整性的影响

对YG8硬质合金进行微喷砂前处理,然后采用物理气相沉积法制备AlCrN涂层。研究微喷砂前处理工艺参数对涂层表面完整性(表面形貌、表面粗糙度、表面硬度及表面应力)的影响。结果表明,合适的微喷砂参数(P=0.3 MPa,T=30 s)可以减少涂层刀具表面缺陷,降低涂层刀具的表面粗糙度Ra,提高涂层刀具显微硬度和表面残余应力。探究了微喷砂前处理对涂层刀具表面完整性的影响规律,优化了微喷砂工艺参数,有助于推动涂层刀具表面处理技术的发展。     

单涂层与复合涂层硬质合金刀具性能对比

随着涂层技术的进步，硬质合金刀具涂层种类也在不断地增加，从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展。通过多次实验，将单涂层与复合涂层硬质合金的刀具寿命作了比较。研究结果表明，复合涂层刀具在提高切削性能方面效果是显著的。     

微波等离子体刻蚀脱碳预处理对金刚石涂层刀具附着力和切削性能的影响

用EACVD法在硬质合金(YG6)刀具上沉积金刚石涂层;用氢微波等离子体刻蚀的方法对基底进行表面预处理,以期提高金刚石涂层的附着力和涂层刀具的切削性能;附着力采用压痕法计算测定,切削性能通过对碳化硅增强铝基复合材料的切削试验测定;用X射线应力仪测试了涂层残余应力,并就不同预处理对性能的影响进行了分析和讨论.     

功能梯度涂层热残余应力

涂层中的残余应力严重影响着涂层零件的机械完整性与操作可靠性。对于功能梯度涂层,由于各界面位移协调条件的限制,很难得到涂层内部残余应力的闭合解。基于传统的悬臂梁理论,获得了功能梯度涂层热残余应力的闭合解;这一分析模型的优点是残余应力的闭合解与涂层层数无关。讨论了采用传统的近似解所带来的误差, 针对含不同层数的ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度涂层内部的残余应力进行了计算。另外,对应力诱导的涂层失效模型也进行了分析。     

涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向

阐述了涂层刀具的优点及缺点，对常用的涂层材料及其性质进行了综述，介绍了两种常用的涂层方法。并对涂层刀具 发展方向进行了探讨。     

加工模具的涂层刀具

探索延长发刀具寿命的析材料和涂层技术，是一个长期过程，本文给出了涂层刀具的应用，特性及加工实例，很有参考价值。     

多层复合涂层刀具切削过程的三维有限元仿真

利用DEFORM-3D软件,对多层复合涂层刀具的切削过程进行三维有限元仿真研究,获得了切削过程中的切削温度、切削力和刀具应力等参数,并进行了相关的切削实验对比.实验结果表明,仿真所得的切削温度和切削力结果与实验结果能够较好地吻合,仿真所得的刀具应力结果能够较好地说明涂层的破坏.该仿真方法可以作为研究多层涂层刀具失效机理的有效方法,     

清洁切削高温合金涂层刀具切削性能及加工表面完整性

针对高温合金高速干切削刀具磨损严重、加工表面质量差等突出问题,基于清洁切削技术,采用硬质合金涂层刀具进行高速铣削高温合金GH2132试验,研究干式切削、液氮不同喷射温度对涂层刀具切削性能以及加工表面完整性的影响规律,探究运用清洁切削高温合金来延长涂层刀具寿命和提高加工表面质量的可行性。研究表明：液氮低温切削GH2132时的切削合力随喷射温度的降低而增大,切削区温度在-150～-190℃喷射时已完全处于低温状态;随着液氮喷射温度的降低,刀具涂层剥落面积明显减小,且降低了黏结磨损和氧化磨损,在-150℃喷射条件下可获得较长的刀具寿命;加工表面粗糙度S_a在-30～-150℃喷射条件下获得较小值,随喷射温度的降低,加工硬化和残余拉应力分别增大和减小;与干式切削相比,液氮切削喷射温度在-150～-190℃下可显著延长涂层刀具寿命并提高加工表面质量。     

硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究

采用离子源增强的多弧离子镀新技术,在硬质合金刀具表面制备了不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN梯度涂层,并对涂层组织结构、残余应力、结合强度、摩擦磨损以及铣削和钻削加工灰铸铁性能进行了详细的研究。结果表明：不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN涂层主要由固溶的(Al,Cr) N、(Al,Ti) N相和非晶态Si₃N₄相组成。其中,含Si层梯度变化最缓和的G3(Gradient 3)涂层具有较高的结合强度,较低的残余压应力、摩擦因数和磨损率。铣削和钻削试验显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。G3涂层降低了磨粒磨损,其刀具的铣削和钻削寿命均最高,这主要得益于其含Si层的梯度设计、适当的压应力(-3.8 GPa)以及良好的膜基结合强度。研究结果表明,通过对含Si层进行梯度设计可显著提高涂层刀具的切削性能。     

表面残余应力对涂层硬质合金刀具磨损影响的研究现状

涂层硬质合金刀具具有良好的抗机械和抗热载荷冲击性能,以及较低的摩擦因数,在常温及高温下耐磨损性能优异,广泛应用于难加工材料的精密、半精密加工。对涂层硬质合金刀具进行表面处理后,刀具表面残余应力会发生演变,并会对刀具磨损产生影响。介绍了针对以上问题的国内外研究现状,并对高性能涂层硬质合金刀具的未来发展进行了展望。     

α-Al_2O_3复合涂层梳刀的金相组织分析

采用金相分析方法对αAl2O3复合涂层梳刀在高速精密切削加工中发生失效(即刀具塌尖、耐磨性差及寿命降低等)的质量影响因素加以分析,以便快速、准确地检测涂层的质量。     

界面尺寸对热障涂层残余应力的影响

广泛应用于高温部件的热障涂层,其凹凸不平的界面形貌不仅影响界面的结合强度、应力分布,严重时甚至会导致涂层剥离、层裂和失效.文中针对正弦波形界面形貌的热障涂层,研究了界面尺寸（微坑深度、宽度和间距）对界面残余应力的影响.结果表明,界面几何形貌突变越严重,应力突变也随之加剧;不同的微结构尺寸影响因素对残余应力影响各不相同,其中微坑深度对残余应力的影响最为显著.     

车、铣不锈钢的硬质合金涂层刀具研究

对不锈钢切削加工中使用最多的硬质合金涂层刀具进行了研究。重点探讨了刀具的磨损和失效机理、适宜切削不锈钢的涂层刀具基体和涂层的种类及特性。