AISI 201具有高硬度、高韧性、高塑性及低的导热性,良好综合机械性能致使其在装备制造领域得到大量应用。切削加工AISI 201过程中刀具易磨损,导致其寿命不长,增加了企业生产成本,降低了企业生产效率。刀具的前刀面是机械载荷和热载荷高度集中区域,刀具磨损破坏与此工作环境密切相关。许多研究表明,合理的刀具结构设计能够提高刀具的切削性能,经验设计、剪裁设计和基于性能的优选设计是刀具设计的主要方法,对于刀具前刀面切削刃近域设计更是如此,缺乏相应的设计方法理论。本文把前刀面温度场和磨损场形貌相结合,提出切削刃近域微槽创新设计方法,设计制备切削AISI 201创新微槽刀具,采用理论分析、仿真研究和切削实验相结合的对比研究方法,分析微槽刀具切削力、切削温度、切削能及加工表面质量的变化规律,研究刀具磨损机理及其监测识别,全面评价刀具切削性能,以期降低切削力和切削温度,提高刀具服役寿命。主要研究内容如下:建立了刀具温度场形貌和磨损场形貌布尔加的刀具前刀面切削刃近域微槽设计方法。以Deform 3D为数值模拟平台,对原车刀切削AISI 201进行有限元数值模拟,从后处理模块中导出温度场数据,运用Matlab筛选合理的温度数据,通过二次接口将数据导入UG NX 8.5三维造型平台,利用UG强大的曲面造型生成温度场网格曲面,建立微槽刀具初始模型,以切削磨损场形貌和初始微槽形貌主要尺寸参数为变量,设计切削仿真实验优化微槽,确定刀具的微槽结构,对微槽刃口区域进行强度校核,设计制备创新微槽刀具。对微槽刀具切削机理进行分析研究。在分析微槽刀具塑性变形剪切面几何关系和刀-屑平衡力系基础上,为了后续章节深入分析微槽刀具切削性能变化,设计了切削实验,分析不同切削参数下AISI 201材料剪切区的应力应变,得到微槽刀具Oxley-Welsh切削方程,发现微槽刀具改变了刀-屑力系平衡,较大幅度增大了剪切角。利用Rubenstein计算模型,分析微槽刀具的刀-屑接触内摩擦和外摩擦长度,研究微槽对刀具前刀面与切屑的接触和摩擦行为,分析微槽刀具受力变化的机理,发现微槽改变了刀-屑接触区域,大幅度减小了刀-屑接触长度和内、外摩擦区接触长度,减小了刀-屑间的摩擦。对微槽刀具的切削能和加工表面质量进行研究。设计单因素实验,分析不同切削用量条件下,微槽刀具的切削性能,对微槽刀具和原刀具的切削力、切削温度、切削能、工件表面粗糙度和表面硬度进行了对比研究,发现在相同切削条件下微槽刀具的三向切削力、切削温度均比原车刀较大幅度减小,切削能更低,工件表面粗糙度更小,工件硬化程度更低。切削能与工件表面质量相关性分析发现,获得相同的工件表面质量,微槽刀具的切削能低于原刀具,要想获得良好的表面质量,需要在较低的切削能下进行切削参数的选择。通过切削耐用度实验,对微槽刀具磨损机理及磨损状态识别进行研究。在相同的切削条件下,微槽刀具的三向切削力更小,切削能消耗更低,磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损更轻微;原刀具共切削了16min,微槽刀具切削了82min,耐用度大大提高。建立了基于深度学习的微槽刀具磨损状态识别方法,通过振动信号采集和超景深显微镜后刀面磨损观测,构建刀具的磨损量和刀具的振动信号之间的关联性,并形成用于模型训练的磨损状态数据样本,选用经训练的VGGNet网络模型进行磨损状态智能识别,表明该方法能够有效实现刀具磨损状态的识别,识别精度达到0.9551。以上研究表明,微槽刀具增大了剪切角,改变了刀-屑接触模型,降低了材料塑性变形,降低了切削力和切削温度,减小了刀具切削能量输入,较大幅度减小刀具磨损,提高了刀具的耐用度,刀具服役寿命显著提高,验证了建立的基于前刀面温度场形貌和磨损形貌相结合的创新刀具微槽设计方法的有效性。