等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用干切削刀具的研究

Aiming at the existing problems of dry cutting tools, the technical idea of processing textures on the surface of cutting tools by plasma etching is first proposed, and then the concept and research approach of the plasma textured and soft-hard composite coated dual utility dry cutting tools are proposed in combination with coating technology of cutting tools. The main research thoughts are as follows: first, certain structure and size of textures are made on the tool-chip interface of the rake face and tool-workpiece interface of the flank face of cutting tools by plasma etching technology; then, soft-hard composite coatings are deposited on the textured surface of cutting tools through magnetron sputtering technology. Combined with theoretical analysis, numerical simulation and experimental research, the design theory of the surface textures on cutting tools will be established, and the preparation technology of plasma etching surface textures on cutting tools will be studied. The structure and composition of soft-hard composite coatings are optimized analyzed by cutting simulation. The design theory of coating on the textured surface of cutting tools will be established and the key technologies of preparing soft-hard composite coatings on textured surface of cutting tools by magnetron sputtering will be studied. The antifriction and wear resistant mechanisms of the plasma textured and soft-hard composite coated dual utility dry cutting tools will be studied based on cutting and friction tests. The research work in this project will not only provide a new idea for the design of dry cutting tools, but also will play a positive role in promoting the implement of green manufacturing and sustainable development.

本项目针对干切削刀具存在的问题，首次提出采用等离子体刻蚀加工刀具表面织构的技术思想，结合刀具涂层技术，进而提出等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用干切削刀具的概念和研究思路。项目的主要研究思想在于：首先，采用等离子体刻蚀技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出具有一定结构和尺寸的织构；然后，选择磁控溅射镀膜法在刀具织构表面沉积软硬复合涂层。结合理论分析、数值模拟和实验的研究手段，建立刀具表面织构的设计理论，构建等离子体刻蚀制备刀具表面织构的技术体系；利用切削仿真对涂层的结构和成分进行优化分析，建立刀具织构表面涂层的设计理论，研究刀具织构表面磁控溅射软硬复合涂层的制备关键技术；根据切削和摩擦试验，分析研究等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用刀具的减摩耐磨作用机理。本项目研究工作的开展不仅为干切削刀具的设计提供新的思路，还将对实现绿色制造、促进可持续发展起到积极的推动作用。

本项目首次提出了采用等离子体刻蚀加工刀具表面织构的技术思想，结合刀具涂层技术，进而提出了等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用干切削刀具的概念和研究思路，并研制开发出具有等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用的干切削刀具。提出和验证了结合正交试验法与有限元仿真技术的微织构刀具织构参数设计方案，系统研究了等离子体刻蚀加工刀具表面微织构的制备工艺方案，探索了等离子体织构化刀具制备过程中不同的工艺参数对微织构成形产生的影响，并优化得到最佳的工艺参数，成功制备出了等离子体织构化刀具。同时，建立了刀具织构表面涂层的设计理论，系统研究了刀具织构表面磁控溅射技术结合电射流沉积技术沉积CrCN/WS2软硬复合涂层的制备工艺，探索了不同涂层工艺参数对CrCN/WS2软硬复合涂层性能的影响，优化得到最佳的涂层制备参数，最终制备出了等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用干切削刀具。通过切削和摩擦试验发现，等离子体织构化与软硬复合涂层双重效用干切削刀具有效地降低了切削过程中的切削力与切削温度，减少了三向切削力的振动幅度，使干切削过程变得更加稳定，并提高了刀具寿命。同时，阐明了该刀具的减摩耐磨作用机理，即：通过等离子体刻蚀加工得到的微织构不仅能有效地降低刀具前刀面上磨损区域的大小，提高刀具的抗粘结能力，还能有效地改善车削过程中切屑由于挤压变形所产生的锯齿化现象，使切削过程更加稳定；CrCN/WS2软硬复合涂层中的WS2软涂层由于具有极低的剪切强度，能够有效降低刀具与工件之间的摩擦系数，改善切削摩擦环境，此外，由于CrCN涂层具有较高的硬度，又大大提高了软硬复合涂层的耐磨性和使用寿命。本项目研究工作的开展不仅为干切削刀具的设计提供新的思路，还将对实现绿色制造、促进可持续发展起到积极的推动作用。. 本课题的相关研究成果以第一作者或通讯作者身份已发表研究论文6篇，其中：被SCI收录的论文有5篇（中科院大类2区2篇，3区3篇），以第一作者身份申请了3项国家发明专利，其中获授权1项，参与出版学术专著1部（第三位）。本项目研究的理论成果获山东省高等学校优秀科研成果一等奖一项（第三位，已公示）；已培养硕士生3名，其中毕业1名（获厦门大学推荐参评福建省优秀硕士学位论文），达到了预期目标。