随着装备制造业的发展,高强度钢因其较高的强度和良好的力学性能,被广泛应用在国防军工、航空航天、汽车和化工等重要行业。但因导热性低、强度和硬度高,高强度钢的切削加工性较差,存在刀具易磨损、寿命低等问题。本文为实现难加工材料高强度钢的高效加工,提出了基于性能驱动的刀具材料设计方法,以此来增强刀具材料设计和研制的针对性,提高刀具的综合切削性能。在其指导下,成功研制了切削高强度钢性能良好的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具,并系统研究了Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的微观结构和力学性能以及切削性能。提出了基于性能驱动的切削高强度钢的刀具材料设计方法。基于模糊综合评价法,以工件已加工表面粗糙度、刀具后刀面平均磨损量和刀具寿命为评价指标,对硬质合金刀具、陶瓷刀具和金属陶瓷刀具的综合切削性能进行了评价,优选出了金属陶瓷作为连续干车削精加工42CrMo高强度钢的刀具材料。采用熵值法和指数模型法对金属陶瓷刀具力学性能与切削性能之间的关系进行了研究,并分别配置了刀具材料力学性能指标的客观权重与主观权重,得出抗弯强度、硬度和断裂韧性的综合权重分别为0.171、0.240、0.589。确定了以Ti(C,N)为基体的金属陶瓷作为切削高强度钢的刀具材料,并选择Ti(C0.5,N0.5)为硬质相,Ni和Co为粘结相以及WC和Mo2C为碳化物添加相。进行了热压烧结工艺与无压烧结工艺制备Ti(C,N)基金属陶瓷的对比实验,结果表明,无压烧结工艺更适合制备用于切削加工高强度钢的金属陶瓷刀具材料。研究并优化了Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的制备工艺,在油酸作分散剂,2.0wt.%的石蜡作成型剂,压制力为175MPa,保压时间为150s,液相烧结升温速率为3℃/min的制备工艺下,烧制的Ti(C,N)基金属陶瓷样件表面光亮,成型好,无明显孔隙和毛边,不存在弯曲和裂纹,能够满足Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的制备要求。研究了材料组分和烧结参数对Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构和力学性能的影响,并在金属陶瓷刀具力学性能权重配置的指导下,采用模糊向量单值化法优化了材料组分和烧结参数。结果表明,硬质相Ti(C,N)含量为50wt.%、粘结相Ni-Co含量为25wt.%且Co/(Ni+Co)比值为0.2以及碳化物Mo2C-WC含量为25wt.%且Mo2C/(Mo2C+WC)比值为0.4的TMWNC刀具材料在烧结温度为1430℃,保温时间为60min时,综合力学性能最优;硬质相Ti(C,N)含量为50wt.%、粘结相Ni-Co含量为25wt.%且Co/(Ni+Co)比值为1.0以及碳化物Mo2C-WC含量为25wt.%且Mo2C/(Mo2C+WC)比值为0.2的TMWC刀具材料在烧结温度为1430℃,保温时间为45min的烧结工艺下,可获得最优的综合力学性能。最后研究了自制Ti(C,N)基金属陶瓷刀具TMWNC和TMWC连续干车削42CrMo高强度钢的切削性能,并与不同材质的刀具进行了精加工高强度钢的对比研究。结果表明,在相同切削速度下,TMWC的寿命超过TMWNC。TMWNC在低速切削时,由于磨粒磨损而失效；当高速切削时,在粘结磨损和磨粒磨损以及机械疲劳和热疲劳的作用下,刀具表面存在剥落并发生刀尖破损。TMWC在粘结磨损以及磨粒磨损作用下,刀尖磨损严重,同时伴有崩刃。不同材质刀具精加工高强度钢的研究结果表明,基于性能驱动设计方法制备的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具TMWNC和TMWC具有优于商用金属陶瓷刀具的抗崩刃和耐边界磨损性能。当切削速度为150m/min时,TMWNC和TMWC的综合切削性能优于硬质合金刀具和陶瓷刀具,亦优于含有NbC的商用金属陶瓷刀具。以上研究结果表明,基于模糊综合评价法优选刀具材料是可行和准确的；同时,配置刀具材料力学性能权重有助于提高刀具的综合切削性能。基于性能驱动的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料设计方法和制备工艺,不仅能满足高强度钢切削加工对刀具材料的要求,还能为刀具材料的设计和研制提供可靠的理论指导与技术支持。