刀具切削温度过高导致刀具切削性能下降,引发刀发生热变形,加速刀具磨损,降低加工表面质量和精度,增加加工成本,降低加工效率。刀具前刀面与切屑之间的接触热阻影响刀-屑之间的热传导行为,对切削热在刀具、切屑等区域的分配起到重要作用。TiAlN、CrAlN、TiAlCrN、CrAlSiN等刀具涂层可改变刀-屑接触特征,改变刀-屑接触热阻,进而对刀具切削温度产生影响。本文以TiAlN涂层刀具在金属切削过程中形成的刀-屑接触热阻为研究对象。通过分析刀具前刀面和切屑的非完全接触以及TiAlN涂层表面生成的Al2O3氧化层对刀-屑接触热阻的影响,分别揭示非完全接触导致的刀-屑接触热阻和氧化层导致的刀-屑接触热阻的形成机理并建立非完全接触-氧化层接触热阻解析模型并对刀-屑接触热阻计算求解。根据热传导实验模拟切削热在刀-屑接触面处的传导过程,通过分析接触面之间的温度差以及热流密度计算接触热阻,从而验证所建立解析模型的正确性并根据解析模型对切削温度进行预测。对比TiAlN涂层、TiN涂层刀具和未涂层硬质合金刀具相同切削条件下形成的刀-屑接触热阻,分析刀-屑接触热阻对切屑切削温度和刀具切削温度的影响,阐述涂层表面生成的Al2O3氧化层对刀具磨损规律的影响,并基于对不同切削速度下刀-屑接触热阻的分析,优化切削速度以达到延长刀具寿命的目的。首先,利用TiAlN涂层刀具对H13淬硬钢进行直角切削实验,通过扫描电子显微镜观察切削实验前和切削实验后刀具前刀面的表面形貌,阐述切削初始阶段和切削稳定阶段刀-屑非完全接触热阻的形成机理,基于对以往学者建立的接触热阻解析模型优缺点的分析建立刀-屑非完全接触热阻解析模型。根据切削实验测得的切削力、刀-屑接触面积、刀具前刀面和切屑底面形貌特征等参数结合所建立解析模型对刀-屑非完全接触热阻进行求解。通过对比不同切削速度和不同工件材料对应的刀-屑非完全接触热阻,分析解析模型参数对刀-屑非完全接触热阻的影响。其次,根据高温氧化实验研究TiAlN涂层发生氧化反应的条件和氧化产物,并分析氧化层对TiAlN涂层导热系数的影响。通过扫描电子显微镜和X射线能谱仪观察切削后的刀具前刀面形貌特征和元素分布,分析刀-屑接触区涂层断面的形貌和元素含量,揭示TiAlN涂层表面生成的Al2O3氧化层导致的刀-屑接触热阻的形成机理。基于对氧化层导致的刀-屑接触热阻影响因素的分析,建立Al2O3氧化层导致的刀-屑接触热阻解析模型。根据测量、分析得到的Al2O3氧化层的厚度和导热系数对氧化层导致的刀-屑接触热阻计算求解。通过对比不同工件材料和不同Al含量的TiAlN涂层刀具对应的刀-屑接触热阻,分析工件材料和刀具涂层对氧化层导致的刀-屑接触热阻的影响。然后,分析非完全接触导致的刀-屑接触热阻和Al2O3氧化层导致的刀-屑接触热阻之间的关系,结合对刀-屑接触热阻等效电路的分析可知TiAlN涂层刀具刀-屑接触热阻为两部分接触热阻的和并建立非完全接触-氧化层接触热阻解析模型。根据热传导实验模拟切削热由切屑传导入刀具的过程。通过测量、分析热源温度和刀具基体温度之间的温度差以及热源热流密度计算接触热阻值,验证所建立非完全接触-氧化层解析模型的正确性。利用非完全接触-氧化层接触热阻解析模型对切削温度进行预测。将根据所建立模型得到的刀-屑接触热阻与根据Umbrello模型得到的接触热阻进行对比,利用两个模型得到的刀-屑接触热阻进行有限元仿真,对比有限元仿真实验得到的切削温度、剪切角、刀-屑接触长度等参数与切削实验测得的结果,阐明利用所建立非完全接触-氧化层模型可更准确地预测切削温度。最后,通过刀-屑接触热阻形成机理和数值计算两个方面对比TiAlN涂层、TiN涂层刀具和未涂层硬质合金刀具切削H13淬硬钢时刀-屑接触热阻的不同,发现TiAlN涂层刀具对应的刀-屑接触热阻远大于TiN涂层刀具和未涂层刀具对应的刀-屑接触热阻。利用三种刀具在相同切削条件下加工H13淬硬钢,分析刀-屑接触热阻对切屑切削温度、刀具基体切削温度的影响,讨论TiAlN涂层表面生成Al2O3氧化层对涂层刀具磨损规律的影响。分析不同切削速度下的TiAlN涂层刀具寿命,并结合对不同切削速度下刀-屑接触热阻的分析,阐述了如何基于刀-屑接触热阻的分析优化切削速度,延长刀具寿命。