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涂层刀具由于具有较高的表面硬度、优良的耐磨性能、较低的摩擦系数和导热率等特点以及优异的切削性能而备受人们的关注,在实际加工中,涂层材料能够起到化学屏障和热屏障的作用,使刀具与工件间的元素扩散、化学反应等现象明显减少,从而有效降低刀具的磨损,延长刀具的使用寿命。此外涂层刀具在切削精度、刀具的适用度等上面都比传统刀具更加有优秀,因此对涂层材料及涂层刀具的研究具有十分重要的意义。本文采用PVD技术分别在合金结构钢(30CrMnSi)试片及YT15硬质合金刀具表面制备了AlCrN、TiAlCrN及TiAlSiN三种多元氮化物复合涂层,并进行了如下试验:(1)采用扫描电子显微镜观察了三种涂层的表面形貌,测量了涂层的元素成分及其质量分数,并对涂层的表面硬度、厚度、膜-基结合力等特性进行了测量;(2)通过进行往复摩擦磨损试验,探究了AlCrN、TiAlCrN及TiAlSiN三种涂层的摩擦系数、磨损量及磨损率在不同法向载荷、往复速度及试验温度下的变化规律,并分析了涂层在不同载荷下的磨损形貌及磨损机理;(3)采用单因素干切削试验,探究了不同切削参数对未涂层刀具和三种涂层刀具的切削力、切削温度、工件表面粗糙度的影响规律,基于曲面响应法获得了AlCrN、TiAlCrN及TiAlSiN涂层刀具的工件表面粗糙度与切削用量三要素之间的预测模型,并结合试验对其精确性进行了验证。(4)结合干切削试验对未涂层刀具、AlCrN、TiAlCrN及TiAlSiN涂层刀具的后刀面磨损量VB进行了测量并作对比分析,综合各刀具的磨损形貌和EDS图谱分析了涂层刀具的磨损机理。基于上述研究,得出如下结论:(1)经过观察和试验测试,三种涂层的表面均平整细致且厚度差距不大;显微硬度试验结果的大小顺序为:AlCrN涂层>TiAlCrN涂层>TiAlSiN涂层>未涂层基体;膜-基结合力试验结果的大小顺序为:TiAlCrN涂层>AlCrN涂层>TiAlSiN涂层。(2)在不同法向载荷、往复速度及试验温度的条件下,几种试片的摩擦系数的大小顺序为:AlCrN涂层<TiAlCrN涂层<TiAlSiN涂层<未涂层试片;AlCrN涂层的磨损量及磨损率最低,其次是TiAlCrN涂层,最大的是TiAlSiN涂层。TiAlCrN涂层的磨损机制以氧化磨损和磨粒磨损为主;AlCrN涂层的主要磨损机制为氧化磨损、磨粒磨损;而TiAlSiN涂层则以氧化磨损、扩散磨损及磨粒磨损为主。(3)相比于未涂层刀具,涂层刀具的切削性能大幅提升,涂层刀具中,AlCrN涂层刀具的切削性能略微优于TiAlCrN涂层刀具,而TiAlCrN涂层刀具的切削性能优于TiAlSiN涂层刀具。基于响应曲面法获得了AlCrN、TiAlCrN及TiAlSiN三种涂层刀具的切削工件表面粗糙度的预测模型,三种模型的误差率分别为:2.45%,3.09%及3.07%。(4)在切削30CrMnSi钢时,TiAlSiN涂层刀具的耐用度比未涂层刀具提高了75%,AlCrN涂层刀具比未涂层刀具提高了约125%,而TiAlCrN涂层刀具的耐用度相比于未涂层刀具提高了125%以上。其中,未涂层刀具的主要磨损形式为扩散磨损和氧化磨损,伴随着轻微的磨粒磨损;AlCrN和TiAlSiN涂层刀具的磨损形式均以月牙洼磨损、氧化磨损及扩散磨损为主;而TiAlCrN涂层刀具的主要磨损形式为边界磨损、氧化磨损和扩散磨损。