第一章 绪论
1.1 研究背景
切削加工[1]是在机床上利用切削工具去除材料来获得一定形状精度、尺寸精度和表面质量的机械零件的工艺。 任何机械产品都是由不同形状的零件组合而成的。在这些零件中，除了极少数的零件采用精密铸造或精密锻造等方法直接获得外，绝大部分零件都要经过切削加工的方法获得。据统计，在机械制造行业中，切削加工所担负的加工量约占机器制造总工作量的 40%~60%。 金属切削过程实际上是金属切削层受挤压后使得内部应力不断增加，挤压层从弹性变形向塑性变形转变，金属晶格发生滑移，随着滑移量的不断增加，切削层从工件表面脱离形成切屑的过程，因此在切削过程中伴随着切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等一系列物理现象。随着制造技术的不断进步，对于产品的加工材料、加工质量、加工效率以及加工成本的要求也越来越高，出现了干切削、硬切削、高精密及虚拟切削等新工艺，而这些直接受到刀具性能的影响。刀具性能的提高一般从以下几个方面着手： （1）材料研究：刀具切削部分在高温、高压、摩擦、冲击和振动等恶劣条件下工作，因此对刀具材料的耐磨性、强韧性、高温红硬性性能的要求也很高。刀具材料从最初的高速钢、硬质合金钢，到粉末冶金高速钢、超细晶粒硬质合金，再到陶瓷、金刚石、立方氮化硼，这些材料能适应更复杂的加工环境。考虑到这些高性能的刀具的成本，在大部分生产制造中仍然以高速钢和硬质合金钢为主要的刀具材料。 （2）结构优化：不同的结构在不同的环境中会发挥出不同的效果，结构的合理性是提高刀具加工性能的重要条件。研究者们利用计算机辅助设计技术（CAD）、二维/三维造型软件及工程分析技术来改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析，推动着刀具结构不断创新。如汽车工业流水线的专用成套刀具革新了加工工艺 、提高加工效率 、降低加工成本；模具工业的多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀等提高了模具生产的效率；航天航空工业的铝合金高速面铣刀和立铣刀满足了加工大型铝合金构件的需要。
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1.2 表面处理的国内外研究现状
表面织构（Surface Texture）是指利用加工技术在基材表面人为加工具有一定规律分布的形貌，从而来改变基体的某些性能。现今的表面形貌主要归纳为五种：凹坑形、凹槽形、凸体形、毛化形、鳞片形，而这些形貌制备方法有：光刻技术[3,4]（LIGA）、激光微织构技术[5～7]（Laser Surface Texturing, LST）等。而其中，激光技术作为一种新型技术，拥有着可控性高、使用范围广、加工效率高、绿色无污染等优点而得到研究者们的青睐。由仿生学和摩擦学可知，一定的表面形貌比光滑表面具有更好的减少摩擦、抵抗粘结等性能。任露泉[8]等通过大量的研究发现：凸体和鳞片能减少粘着力，这主要是因为这两种形貌减少了表面与土壤的直接接触面积，而且使得接触不连续，从而使得起作用的吸附点数明显减少。对鲨鱼的皮肤进行了研究[9]，发现鲨鱼表皮结构是肋条结构，具有很好的减阻功能。将这种肋条结构运用到游泳服上可减少阻力 4%~8%；在飞机上覆盖这种结构的薄膜可降低阻力 8%[10]。另外，研究学者还发现海豚的游泳速度超过自身的生理极限[11]，这是由于海豚在高速游动时会在表皮形成一定的几何形貌，从而减低阻力，防止湍流和紊流产生。根据海豚的这种能力，研发了一种“自适应表层减阻技术”，研制出的人工海豚皮包裹于潜艇表面，能减少阻力达 50%。
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第二章 涂层刀具的基本性能
近年来各种难切削材料的出现和应用，先进制造系统、超高速切削、超精密加工、减少切削液的使用、实现绿色制造的发展和付诸实现，都对刀具提出了更高、更新的要求。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来[62]，不仅保持了基体的良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。
2.1 硬质涂层的特性
涂层方法和涂层工艺参数确定了涂层的显微结构及涂层刀具的性能。涂层技术主要包含两个重要的工艺参数：沉积温度和工作压力，在不同的沉积温度和工作压力下会形成不同的工艺和组织。金属切削刀具的涂层方法和涂层材料见表2.1。刀具的硬质涂层材料应满足高温硬度、良好的化学稳定性、良好的工艺性和低成本、与基体结合强度高等条件。硬质涂层主要有以下几类：单层涂层（主要包括碳化钛、氮化钛、氧化铝）、复合涂层（主要包括氮碳化钛、氮铬化铝、氮铝化钛）、纳米涂层（Ti Si N、Cr Si N、Ti BON）。三种常用涂层材料的物理力学性能及应用见表 2.2。 涂层厚度的控制不仅与刀具尺寸有关，更为重要的是它直接影响刀具的使用寿命、耐蚀性能、残余应力、涂层沉积工艺等，尤其在多层复合涂层中十分重要。如果沉积的厚度不足，则磨损时间太短，对基体的提升很小；如果沉积过多，则强度有所下降，并且易发生剥离。 涂层厚度在一定尺寸内，涂层刀具的硬度及耐磨性能随着厚度增加而相应加大。但厚度超过一定值后，涂层材料越硬，涂层厚度对裂纹越敏感，会导致刀具的韧性随着后的增加而下降。而且所有的 CVD 涂层中，残余应力也随着涂层厚度的增加而增大，过大的残余应力会产生使材料性能降低的裂纹。
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2.2 涂层刀具的切削性能
切削力是指在切削过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。在切削过程中，随着切削速度的增加，涂层刀具的主切削力有减小的趋势，这是因为切削速度越高，切削温度也不断上升，温度的上升使得材料的硬度降低，切屑从工件表面剥离的过程中，裂纹扩展的时间缩短，临界剥离力也随之减少。然而，切削力分为三向力，在高速情况下，另外两种力并没有减小，反而有略微的增加。 在金属切削过程中，从刀具磨损后的 3-D 图可以看出，在刀具靠近刀尖部分有一块不是很规则的磨损，这也就是刀具与切屑在完整的切削中实际接触的区域。该区域的面积大于刀-屑在某一时刻的实际接触面积，涂层沉积在刀具前刀面上会改变实际接触区域的大小。而实际接触区域的大小又会对传递到材料的热通量产生影响。刀-屑实际接触区域的大小的可以通过标记法来测定，切削完成后，利用显微镜对涂层刀具前刀面进行观察测量。我们知道，随着切削速度的不同，刀屑接触面积是不同的，切削速度增加，刀-屑接触面积减少；除此之外，材料的性能也会对切屑的实际接触区域的大小产生影响。
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第三章 微织构涂层刀具的二维切削仿真 ........... 23
3.1 ABAQUS 金属切削仿真过程..... 23
3.2 织构涂层刀具的切削仿真 ..... 24
3.2.1 Johnson-Cook 本构模型 ........... 25
3.2.2 切屑分离准则 ......... 25
3.2.3 热传递和摩擦模型 ..... 27
3.3 仿真模型与结果 ............. 28
3.3.1 仿真几何模型 ......... 28
3.3.2 仿真结果与分析 ....... 30
3.4 本章小结 ......... 34
第四章 硬质合金激光毛化织构工艺研究 ........... 35
4.1 试验方案 ......... 35
4.2 激光单脉冲能量对毛化织构形貌尺寸的影响 ......... 38
4.3 激光脉冲次数对毛化织构形貌尺寸的影响 ........... 42
4.4 本章小结 ......... 43
第五章 硬质合金基体微织构对涂层性能的影响 ..... 44
5.1 试验方案 ......... 44
5.2 涂层对织构形貌的影响 ....... 48
5.3 微织构表面涂层的力学性能 ............. 49
5.4 本章小结 ......... 53
第五章 硬质合金基体微织构对涂层性能的影响
绿色制造是现如今加工生产的主流思想，减少甚至不使用切削液是我们努力的目标。在发达国家，涂层刀具的使用率已经达到 80%以上，主要是因为它提高了加工效率和精度、降低了生产成本、实现了绿色制造。经过一段时间的使用，发现涂层刀具提高了摩擦系数和切削力、出现了粘着效应、涂层脱落严重等。这些迫使我们寻找减少负面影响的方法，或者寻找其他的方式方法取代它。微织构的研究者发现：在刀具表面分布微织构可以提高刀具的摩擦磨损性能、延长使用寿命、减轻磨粒磨损等优异的效果。然而由于对微织构应用刀具的研究时间短、不深入，无法解决对于微织构带来的在干摩擦条件下摩擦系数的增加、二次切削现象这些问题。针对以上问题，我们将涂层与微织构结合起来，本章主要探究毛化微织构形貌尺寸对涂层 Ti Al N 的性能影响。
5.1 试验方案
膜-基结合强度决定了涂层的性能，提高结合强度具有深远的影响。目前主要方法是：利用粘结层与基体和涂层都有很好的结合性来提高结合强度、寻找更优异的涂层沉积参数、对基体表面进行处理。粘结层有良好的性能，更为关键的是它能改善涂层与基体之间相容性差的问题，相容性差主要是物理性能之间的差异，比如热膨胀系数。当两个系数差别很大时，同样的温度变化，膨胀或者缩小的体积不一样，这样就会在结合层出现体积差，产生体积力。使得结合层处的细微裂纹生长、扩张，如此反复，涂层很快会从基体表面脱落，从而影响涂层的使用寿命。涂层的沉积方法主要是化学气相沉积和物理气相沉积，不同的沉积方式有不同的参数。利用化学气相沉积技术（CVD）可以得到分布均匀、可靠度高的涂层，尤其是对于表面不光滑，甚至存在人为造型的表面。物理气相沉积技术（PVD）需要的环境比较苛刻，但是使用范围更加广泛，加工涂层材料的种类更多，限制条件少，因此得到广泛的应用。其中影响 PVD 涂层性能的参数很多，如真空度、工件温度、工件偏压、脉冲偏压电源。
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总结
在金属切削中，伴随着许许多多复杂的物理和化学现象，学者们不断探索提高刀具切削性能和寿命的方式方法。当前，学者研究最多的是在刀具前刀面和后刀面进行织构造型，研究在干、湿两种条件下织构的尺寸和分布对刀具性能的影响。在刀具前刀面制备一定规则形貌的微织构能使得切削液进入刀-屑接触表面，并且可以形成油膜，起到润滑的效果。但是切削液的使用仍然会产生污染和浪费，对更加绿色和高效的机械加工方式的需求越来越迫切。本文受启发于微织构和涂层都能提高刀具的切削性能、毛化织构在湿切削条件下效果更好，而且涂层更适合于干切削，因此作者将毛化织构与涂层结合起来，尝试在干切削条件下，检测毛化织构涂层刀具和凹腔织构涂层刀具的切削性能。本文的主要研究如下：
（1）概括了前人对微织构形貌、微织构刀具性能、涂层刀具性能的研究，分析了仿真过程中微织构对温度和残余应力分布的影响。简述了微织构和涂层对刀具性能提高的影响，提出了本文的研究思想：将微织构形貌与涂层结合起来。
（2）通过仿真软件对凹腔织构涂层刀和毛化织构涂层进行切削仿真，得出结论：在相同条件下，毛化织构涂层刀的切削力随着切削速度的增大呈现出先减小后增大的趋势，而切削温度随着速度的增加而增大。此外，应力和温度集中现象比凹腔织构的集中现象要更加的严重。
（3）在现今刀具材料应用最广泛的硬质合金表面利用光纤激光器进行毛化造型工艺试验，研究了单脉冲能量及脉冲次数对毛化形貌的直径、宽度和高度的影响。得出了单脉冲能量与毛化形貌尺寸之间的关系，为后续的实验提供了保障。
（4）利用工艺试验得到的微织构形貌参数，制备微织构形貌刀具，后利用利用磁控溅射装置在织构表面沉积一层约 4μm 厚的涂层。研究发现涂层对微织构有一定的复印效果，但是涂层厚度分布不均匀，尤其是在毛化形貌的凸起位置。微织构并未削弱涂层的表面硬度，而且改善了基材表面的残余应力。
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参考文献（略）