随着现代工业的迅速发展,各种高硬高强度的零件越来越多地被采用,并且零件的表面大多数不连续,传统的车削技术难以胜任对高硬度材料的断续车削,而刀具材料是制约断续硬车削加工技术发展的瓶颈,因此研制适合高速断续切削的高性能刀具对于推动现代制造业的发展具有重要意义。本文以高速断续车削淬硬钢20CrMnTi刀具失效机理为依据,进行梯度陶瓷刀具材料设计和二维梯度刀具结构设计,对二维梯度刀具结构与烧结工艺进行优化,研制二种适用于在不同切削参数下断续车削的二维梯度陶瓷刀具,并研究宄刀具的断续切削性能。通过陶瓷刀具断续切削淬硬钢实验,结果表明:刀具的主要失效机理为热-机械疲劳损伤。在较大的切削速度下,热载荷作用使刀具的损伤加剧,此时热疲劳是主宰刀具寿命的主要因素,因此刀具上刀-屑接触区破损;而在高进给量下断续切削时,由于刀具承受更高的冲击力,其主要失效机理为机械疲劳,因此前刀面发生较大面积的贝壳状的疲劳断裂。在切削仿真的基础上,进行低周疲劳模拟,结果发现:在断续切削时,刀具受到循环变化的载荷作用,刀具前刀面容易出现疲劳裂纹。因此,满足断续切削淬硬钢的刀具性能要求为:用于高速切削的刀具应具有较高的硬度和抗热疲劳性能;用于高进给量切削的刀具应具有较高的硬度、韧性和强度。根据断续切削淬硬钢试验和有限元仿真结果,合理确定每一层原材料初始粉末粒度及含量,初步建立了适合断续切削淬硬钢的梯度刀具的宏微观设计模型。利用Abaqas软件对梯度陶瓷刀具材料的三点弯曲疲劳实验进行仿真,优化了适用于大进给量切削的二维梯度刀具的结构尺寸。运用传热分析,对用于高速切削的梯度陶瓷刀具结构进行了优化,确定了二维梯度刀具的结构参数。采用粉末铺填、二阶段热压烧结工艺,制备了一维、二维梯度刀具材料,优化确定了一维梯度刀具材料的梯度结构参数,即层数为5层,表层层厚为0.085mm。梯度刀具材料的最合适的第一阶段烧结温度为1700℃,第二阶段烧结温度和保温时间分别为1450℃和60min。以最优的二阶段烧结工艺,成功烧结出综合力学性能最佳的二维梯度刀具材料GAWTN51-20和GAWTN51-45,其中GAWTN51-45的抗弯强度、表层硬度和断裂韧度分别达到1005MPa、23.20 GPa和 10.56MPa·m1/2。应用水淬实验对比研究了均质、一维梯度、二维梯度陶瓷刀具材料的抗热冲击性能。一维梯度材料GAWTN51和二维梯度材料GAWTN51-20的临界抗热震温差为600℃,其抗热冲击能力优于均质陶瓷材料AWT。应用压痕-淬火法比较研究了均质、一维梯度、二维梯度陶瓷刀具材料的抗热疲劳性能,试验结果表明:二维梯度材料的裂纹扩展长度略低于一维梯度材料的,明显低于均质陶瓷刀具材料的,并且二维梯度刀具材料沿梯度方向的热疲劳裂纹扩展受到抑制。最后研究了二维梯度刀具在不同切削参数下,断续干切削淬硬钢20CrMnTi的性能。在不同的进给量下,二维梯度陶瓷刀具的寿命均大于一维梯度陶瓷刀具和对应的均质陶瓷刀具,并且进给量越大,优势越明显。二维梯度陶瓷刀具具有较强的抑制前刀面疲劳裂纹萌生和扩展的能力,因此避免了前刀面破损。另一方面,在不同的切削速度下,二维梯度刀具相比一维梯度陶瓷刀具和对应的均质陶瓷刀具具有更长的寿命。二维梯度刀具具有较好的抗热疲劳性能,因此在较高的切削速度下,前刀面的破损较小。