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切削是加工制造业中应用最多的工件加工方式,而在切削过程中,刀具优劣是决定工件最终品质的重要因素之一。随着超硬难加工工件不断涌现,对刀具提出了越来越高的要求,传统硬质合金等刀具已不能满足现代切削要求。陶瓷材料具有高耐磨性和高硬度的优点,是极具潜力的新型刀具材料。目前商业化的陶瓷刀具以Al2O3、CBN和Si3N4材料为主,但在一些特种加工中这些材料的硬度仍不能满足对刀具的硬度要求,因此,以具有超高硬度的非氧化物陶瓷作为刀具材料开发超硬陶瓷刀具对刀具产业的发展具有重要的意义。本文开发一种具有超高硬度的B4C-Ti B2陶瓷刀具,并以B4C-Ti B2陶瓷刀具切削AISI 4340为应用背景,围绕着“刀具材料制备—微观结构—力学性能—陶瓷刀具设计—切削过程仿真—切削实验验证—磨损机理”这一主线,通过有限元分析结合实验验证对B4C-Ti B2陶瓷刀具进行研究,为B4C-Ti B2陶瓷刀具的实际应用奠定了理论基础。首先,采用热压烧结工艺在温度1950℃,压力60 MPa条件下制备了B4C-x wt.%Ti B2复合陶瓷（x=0、10、20和30）,并进行了微观结构观察和力学性能研究。结果表明:引入Ti B2添加相能够有效提升B4C陶瓷的相对密度,且改变了B4C陶瓷的断裂方式（由单一的穿晶断裂变为沿晶和穿晶断裂相结合的方式）,从而使得B4C陶瓷的力学性能显著提升。B4C-Ti B2复合陶瓷的致密度随着Ti B2含量增加先是明显提升,之后随Ti B2含量的增加变化不明显,当引入10%Ti B2添加相时,样品的相对密度从92.4%提升到99.2%。断裂韧性和抗弯强度随着Ti B2含量增加提升明显,当引入20%Ti B2添加相时,断裂韧性从2.52 MPa/m~2提高到4.86 MPa/m~2,抗弯强度从317 MPa提高到492 MPa。虽然Ti B2含量为30%时断裂韧性和抗弯强度略有降低,但依然具有良好的综合力学性能。维氏硬度随Ti B2含量增加变化不大,维持在32 GPa左右。然后,在Deform-3D软件中建立切削仿真模型。通过单因素设计法,固定切削速度、切削深度、进给量中两个要素不变,改变第三个要素的值,模拟不同Ti B2含量B4C-Ti B2陶瓷刀具在不同切削速度、切削深度、进给量参数下切削AISI 4340过程中的主切削力和刀具温度数据,以此比较切削性能,筛选出切削性能最优的陶瓷刀具组分;通过正交设计法,对切削性能最优组分陶瓷刀具的主切削力和刀具温度数据进行极差分析,得到切削AISI 4340的最优切削参数。单因素仿真结果表明:四组不同组分陶瓷刀具的主切削力随着切削速度的增加表现为先增大后减小趋势,随着切削深度、进给量的增加呈增大趋势,在所有切削参数下,B4C-30%Ti B2陶瓷刀具的主切削力最小;四组不同组分陶瓷刀具的刀具温度随切削速度、切削深度、进给量的增加呈上升趋势,在不同切削参数下,B4C-30%Ti B2陶瓷刀具的刀具温度是最低的。B4C-Ti B2陶瓷刀具的主切削力随着材料中Ti B2含量的增加呈减小趋势,刀具温度呈下降趋势,B4C-30%Ti B2陶瓷刀具在主切削力和刀具温度方面表现出最优的切削性能。正交仿真结果表明:主切削力对切削参数的变化反应明显,因此根据主切削力的变化来确定最优切削参数。其中,切削参数对主切削力的影响程度为:切削深度＞进给量＞切削速度。切削仿真预测的B4C-30%Ti B2陶瓷刀具的最优切削参数是:切削速度300 m/min,切削深度0.3 mm,进给量0.1 mm/r。最后,通过实验验证最优切削参数的准确性、切削仿真模型的正确性及陶瓷刀具的应用性,并研究了刀具的磨损机理。通过计算17组不同切削参数下金属去除量的值验证最优切削参数的准确性,结果表明:第17次切削实验得到的金属去除量最高,为31.8 cm~3,对应的切削参数为:切削速度300 m/min,切削深度0.3 mm,进给量0.1 mm/r,与切削仿真得到的最优切削参数结果一致。通过对比切削模拟过程的切屑与切削实验所得的切屑验证切削仿真模型的准确性,结果表明:两种切屑均为典型的带状切屑,切屑形貌高度一致,检验了切削仿真模型的准确性。在相同切削条件下,通过对比B4C-30%Ti B2陶瓷刀具与YD硬质合金刀具的切削性能,验证B4C-Ti B2陶瓷刀具的应用性,实验结果表明:陶瓷刀具在初始阶段磨损速度较快,但随着切削的进行,磨损速度逐渐减小。YD硬质合金刀具初期磨损小于陶瓷刀具,但在切削长度超过约43.9 m时,磨损率急剧增加,在切削长度约为76 m时超过了陶瓷刀具的磨损率。整体来看,B4C-30%Ti B2陶瓷刀具的使用寿命比市面上销售的YD硬质合金刀具长。通过对刀具磨损区域进行微观形貌观察,并进行化学元素种类和含量分析,进一步深入研究了刀具的磨损机理,结果显示:B4C-30%Ti B2陶瓷刀具的主要磨损形式是后刀面磨损,同时还伴随着月牙洼磨损和微崩刃,磨损机理主要为磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损和扩散磨损。