涂层刀具热传导及温度测试技术

主要物理符号及单位1

第1章绪论7

1.1概述7

1.2涂层刀具的结构、厚度、性能特点10

1.3切削加工热量耗散模型11

1.4涂层刀具热传导及切削温度研究常用的方法15

1.4.1涂层刀具的热传导16

1.4.2涂层刀具切削温度17

1.5本章小结18

第2章涂层刀具的热物理性质19

2.1材料的热传导机理19

2.2涂层刀具的热传导20

2.3涂层刀具的导热系数22

2.3.1涂层刀具导热系数特性22

2.3.2涂层刀具导热系数的选用24

2.4涂层刀具的对流换热系数27

2.5本章小结33

第3章涂层刀具切削热分配与热流量34

3.1涂层刀具切削热分配34

3.1.1工件材料对切削热分配的影响34

3.1.2切削参数对切削热分配的影响35

3.1.3刀具涂层对切削热分配的影响 36

3.2热流量与对流换热系数计算实例分析38

3.3本章小结44〖KMB〗

第4章刀具切削温度常用测量技术45

4.1切削温度研究的方法45

4.2热电偶测量切削温度47

4.2.1热电偶测温原理47

4.2.2热电偶测温的基本定则49

4.2.3切削温度常用的测量方法50

4.3薄膜热电偶测量温度技术56

4.4本章小结60

第5章涂层刀具切削温度自测技术61

5.1涂层刀具的物理机械性能61

5.1.1涂层形貌和涂层厚度61

5.1.2涂层与基体之间的结合力62

5.1.3涂层材料和基体材料的热物理参数66

5.2涂层刀具切削温度自测传感器66

5.2.1涂层刀具切削温度自测传感器的测温原理68

5.2.2涂层刀具切削温度自测传感器的标定70

5.3涂层刀具切削温度自测传感器的应用76

5.3.1涂层刀具切削温度的测量78

5.3.2涂层刀具切屑温度测量结果81

5.4本章小结82

第6章涂层刀具切削温度的解析法研究84

6.1涂层刀具的瞬态切削温度分布84

6.1.1给定前刀面热流密度的涂层刀具瞬态温度分布84

6.1.2给定前刀面温度的涂层刀具瞬态温度分布95

6.2涂层刀具的稳态温度分布101

6.2.1给定前刀面热流密度的涂层刀具稳态温度分布101

6.2.2给定前刀面温度的涂层刀具稳态温度分布105

6.2.3给定两表面温度的涂层刀具稳态温度分布108

6.3涂层刀具切削温度分析计算与试验结果比较110

6.3.1涂层刀具切削力、刀-屑摩擦系数与切屑厚度111

6.3.2涂层刀具的热流密度116

6.3.3涂层刀具温度的解析法计算120

6.4本章小结121

第7章基于涂层刀具的扩散层模型的切削温度分析123

7.1涂层刀具切削温度的有限元模拟123

7.1.1刀具切削温度的有限元分析技术123

7.1.2刀具切削温度的有限元仿真研究现状126

7.2涂层刀具的扩散层132

7.2.1涂层刀具扩散层的物理建模133

7.2.2涂层刀具扩散层厚度的确定134

7.2.3涂层刀具扩散层的导热系数137

7.3基于涂层刀具切削温度的有限元仿真141

7.3.1涂层刀具扩散层厚度及扩散体积分数141

7.3.2涂层刀具有限元建模142

7.3.3涂层刀具前刀面切削温度仿真144

7.4本章小结148

第8章总结与展望149

8.1结论149

8.1.1刀具涂层对热传导的影响149

8.1.2涂层刀具切削温度自测传感器149

8.1.3涂层刀具热传导理论的研究150

8.1.4涂层刀具切削试验的研究151

8.2工作展望151

参考文献152" 2100433B

不同涂层材料和刀具基体对切削热的产生和温度场分布具有很大的影响切削温度是选择刀具基体和涂层的重要依据 本书从涂层材料性质分析、切削热的分配、切削温度测量技术、切削温度的理论分析、切削试验到涂层刀具切削温度动态测试系统、扩散层理论提出以及刀具温度高精度仿真技术由浅入深探索了涂层影响刀具切削温度的规律分析了涂层刀具热传导理论明确涂层对刀具热传导的作用机理实现了对涂层刀具切削温度的实时动态测量和高精度仿真

本书适用从事切削加工的研究人员以及大学研究生阅读也可供从事切削加工的工程技术人员参考使用"

涂层刀具现状

涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

涂层刀具类别

涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金刚石或立方氮化硼）刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度（可提高10%以上），可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。

涂层刀具新型涂层技术

Ti-Al-X-N新型涂层技术是利用气相沉积方法在高强度工具基体表面涂覆几微米高硬度、高耐磨性难熔Ti-Al-X-N涂层，从而达到减少刀具磨损，延长寿命，提高切削速度的目的。它是高档数控机床与基础制造装备国家重大专项课题取得的重要成果。

涂层刀具涂层方法

生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积（PVD) 法和化学气相沉积（CVD) 法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层（η相），导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法（等离子体化学气相沉积法）。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下（涂覆温度已可降至180℃~200℃），使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼（CBN）超硬涂层特别有效。

涂层刀具要求

用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理（钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高），故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。

涂层刀具使用注意事项

涂层刀具的使用效果除与涂层方法及设备、涂层工艺和涂层材料有关外，还有以下情况应加以注意：

一、涂前刀具的表面质量 。被涂刀具表面应是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有锈斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上无毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度应达到Ra<0.8~1.25µm。表面粗糙度值愈小，涂层的结合度愈好。此外，刀具表面的清洗质量也十分重要。

二、刀具基体材料。涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配，须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体，既可用W₆Mo₅Cr₄V₂(M2)的通用型高速钢，也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PM HSS)或者是整体采用硬质合金钨钢制成的　钨钢刀片。因粉末冶金的基体均匀，故使用效果好。加工钛合金时，推荐用含钴超硬高速钢如W₂Mo₉Cr₄VCo₈(M42)作为刀具的基体材料。对于涂层滚刀，当以正常切削速度(小于45m/min)加工齿轮时，崩刃是滚刀磨损的主要原因，因此应选择韧性较好的W₆Mo₅Cr₄V₂高速钢作为刀具的基体材料；而在高速滚齿时(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因，因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或CW₉Mo₃Cr₄VN高速钢为刀具的基体材料。 涂层硬质合金刀具的基体，在加工钢材时，宜选择加工钢材的硬质合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多)；加工铸铁和有色金属时，宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。 被加工材料的硬度及切削加工性，对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实，涂层刀具最适于切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。

三、刀具的几何角度。 由于涂层的润滑性好，所以涂层刀具工作时常会在工件表面上打滑，为此涂层刀具上的后角应比未涂层刀具的后角略大。实践表明，对铰刀等一类精加工刀具，加大后角后，可使刃口锋利，切屑形成容易，打滑现象明显减少，刀具的使用性能提高。

四、切削用量和切削液 。为了充分发挥涂层刀具的性能，必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好，抗月牙洼磨损能力强，故可采用较大进给量和切削速度工作，但首先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合适的。为了提高工效，涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%~70%的切削速度进行切削。用涂层硬质合金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度，立铣刀可达100~150m/min，钻头可达80~100m/min；丝锥加工铸铁为20~40m/min。 实践证明，使用20号机械油加10%煤油冷却时，可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1~2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS)钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时，使用20号机械油和煤油混合润滑，刀具寿命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切时寿命仅提高1倍。 [pre]涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小，刀具或刀片的夹持也应牢固。

《高性能刀具及涂层刀具材料的切削性能》介绍了高速钢切削刀具、硬质合金切削刀具、陶瓷切削刀具、金刚石切削刀具及立方氮化硼切削刀具的切削性能，同时介绍了各系列涂层刀具，包括单一涂层刀具、多元复合涂层刀具及多元多层复合涂层刀具的切削性能以及不同刀具涂层的制备技术。全书共分13章：第1章介绍了各种高性能切削刀具的特点及综合性能；第2～6章分析了高速钢切削刀具、硬质合金切削刀具、陶瓷切削刀具、金刚石切削刀具及立方氮化硼切削刀具的切削性能；第7～8章介绍了涂层刀具的特性、研究进展及应用；第9～12章分析了单一涂层刀具、多元复合涂层刀具及多元多层复合涂层刀具的切削性能及刀具涂层的各种制备技术；第13章探讨了我国涂层刀具存在的问题及解决对策。

《高性能刀具及涂层刀具材料的切削性能》可供从事切削加工技术及刀具材料生产的科技工作者阅读，也可供高等院校材料类、机械类、表面工程类专业的本科生和研究生参考。