刀具介观几何特征对钛合金切削性能影响研究

本书针对钛合金加工中存在工件表面质量差、刀具磨损严重等问题，考虑介观几何特征对刀具磨损、工件表面完整性及热-力耦合行为的影响，运用理论分析、仿真建模、试验等手段，从介观几何特征的制备入手，深入研究了刃口与微织构在切削钛合金过程中对刀具磨损、工件表面完整性及热力耦合行为的影响规律，并以此优化了介观几何特征参数，为实现钛合金高效加工及刀具优化设计提供了基础。

目录

前言

第1章 绪论 1

1.1 钛合金高速铣削加工技术 1

1.1.1 钛合金的切削加工特点 1

1.1.2 钛合金加工中存在的问题 3

1.1.3 刀具表面介观几何特征 5

1.2 刀具刃口对钛合金切削过程影响规律研究现状 6

1.2.1 刀具刃口特征对切削加工的影响研究现状 7

1.2.2 不同刃口形式对切削加工的影响研究现状 8

1.2.3 刃口作用下的尺寸效应对切削加工的影响研究现状 10

1.3 微织构刀具研究现状 10

1.3.1 表面微织构技术概述及研究现状 11

1.3.2 微织构刀具切削加工性能研究现状 12

1.4 高速切削钛合金刀具摩擦磨损特性研究现状 13

1.5 钛合金切削过程热-力耦合行为研究方法 14

1.5.1 钛合金切削过程切削力的研究现状 15

1.5.2 钛合金切削过程切削温度的研究现状 16

1.6 高速切削钛合金表面完整性研究现状 17

1.6.1 表面粗糙度研究现状 18

1.6.2 表面加工硬化研究现状 18

1.6.3 表面残余应力研究现状 19

1.7 本章小结 20

参考文献 20

第2章 精密切削钛合金刀具刃口作用机理 26

2.1 钛合金切削刀具刃口性能评价 26

2.1.1 试验条件 26

2.1.2 试验方法 27

2.2 刀具刃口对钛合金精密切削切屑形成过程影响 28

2.2.1 钛合金切削切屑形状 28

2.2.2 钛合金切削切屑微观形态与几何特征分析 29

2.2.3 同类型刃口对切削钛合金切屑形成过程分析 34

2.3 精密切削钛合金刃口作用力学特性研究 43

2.3.1 精密切削钛合金刃口作用切削力模型 44

2.3.2 考虑刃口作用的钛合金精密切削有限元分析 50

2.3.3 精密切削钛合金力学特性试验研究 53

2.4 精密切削钛合金刀具刃口刃形保持性研究 54

2.4.1 刀具材料优选 54

2.4.2 刀具刃口刃形优选 61

2.5 刀具刃口作用下钛合金精密切削加工典型应用 63

2.5.1 考虑刃口作用的钛合金精密切削极限切削深度 64

2.5.2 钛合金精密切削小切削深度试验 67

2.5.3 刃口作用下钛合金膜盘精密加工 69

2.6 本章小结 72

参考文献 72

第3章 微织构激光制备及其对刀具性能的影响 73

3.1 微织构几何形状对刀具结构强度的影响 73

3.2 激光蚀除材料机理 77

3.2.1 激光加工技术 78

3.2.2 激光表面强化 78

3.2.3 激光蚀除机理 81

3.3 微织构刀具激光制备 82

3.3.1 微织构激光制备 82

3.3.2 微织构加工稳定性 84

3.3.3 激光加工工艺参数对微织构质量影响 85

3.4 激光烧蚀对刀具基体材料组织性能影响 91

3.4.1 基体材料颗粒细化 91

3.4.2 微织构表面元素测量 91

3.4.3 基体材料显微硬度变化 94

3.5 微织构刀具切削试验 96

3.5.1 方案设计 96

3.5.2 切削力试验结果分析 97

3.5.3 磨损形貌测量分析 98

3.6 本章小结 102

参考文献 102

第4章 表面微织构减摩抗磨性能 105

4.1 微织构摩擦磨损过程仿真分析 105

4.1.1 摩擦磨损有限元模型的建立 105

4.1.2 边界条件与载荷 105

4.1.3 不同形状微织构表面接触应力分析 107

4.1.4 光滑摩擦副和微坑织构摩擦副摩擦过程应力分析 108

4.2 硬质合金刀具材料摩擦磨损试验 109

4.2.1 摩擦磨损试验原理和方法 109

4.2.2 硬质合金微织构表面摩擦性能试验研究 111

4.2.3 硬质合金微织构表面干摩擦性能分析 114

4.2.4 表面微坑织构参数对摩擦系数影响 116

4.3 微织构表面磨损形貌分析 118

4.3.1 盘试件磨损形貌分析 118

4.3.2 球试件磨损形貌分析 121

4.4 微坑织构减摩抗磨性能分析 124

4.5 硬质合金球头铣刀微织构参数优化 127

4.5.1 硬质合金球头铣刀微织构参数优化模型建立 127

4.5.2 微织构参数优化 128

4.6 本章小结 129

参考文献 129

第5章 微织构刀具切削过程热-力耦合行为 131

5.1 微织构硬质合金球头铣刀铣削钛合金试验 131

5.1.1 微织构激光制备 131

5.1.2 铣削钛合金试验 137

5.1.3 试验结果分析 141

5.2 微织构硬质合金球头铣刀应力场研究 146

5.2.1 铣削力模型 146

5.2.2 刀-屑接触面积试验式 148

5.2.3 受力密度函数数学模型 149

5.2.4 应力场仿真分析 152

5.3 微织构球头铣刀铣削钛合金温度场研究 156

5.3.1 热源分析 156

5.3.2 热流密度函数 157

5.3.3 微织构球头铣削钛合金铣刀温度场模型 162

5.3.4 微织构球头铣刀温度场的有限元仿真 168

5.4 微织构球头铣刀热-力耦合有限元仿真研究 172

5.4.1 刀具热应力仿真 173

5.4.2 微织构球头铣刀热-力耦合仿真 175

5.4.3 仿真结果分析 176

5.5 本章小结 178

参考文献 178

第6章 高速切削钛合金表面完整性 181

6.1 表面完整性概述 181

6.1.1 表面完整性概念及内涵 181

6.1.2 已加工表面完整性形成过程 182

6.1.3 影响表面完整性的因素 183

6.1.4 表面完整性对零件使用性能的影响 183

6.2 微织构刀具切削钛合金表面粗糙度测试 184

6.2.1 切削表面粗糙度正交试验 184

6.2.2 切削表面粗糙度正交试验数据分析 185

6.2.3 微织构刀具切削表面粗糙度影响规律 186

6.3 微织构刀具切削钛合金表面加工硬化测试 189

6.3.1 加工硬化评价标准及测试方法 189

6.3.2 切削表面加工硬化测试结果 191

6.3.3 微织构刀具切削表面加工硬化影响规律 192

6.4 微织构刀具切削钛合金表面残余应力测试 195

6.4.1 切削表面残余应力产生的原因 195

6.4.2 切削表面残余应力测试结果 196

6.4.3 微织构刀具切削表面残余应力影响规律 199

6.5 已加工表面变质层分析 203

6.5.1 已加工表面变质层显微组织分析 203

6.5.2 已加工表面变质层能谱分析 204

6.6 本章小结 205

参考文献 206

第7章 刀具介观几何特征优化 209

7.1 刀具介观几何特征优化方法 209

7.1.1 遗传算法 209

7.1.2 神经网络 211

7.1.3 回归分析 215

7.1.4 多目标优化 218

7.2 表面完整性预测模型 219

7.2.1 表面完整性模型的建立 219

7.2.2 回归模型的显著性检验 221

7.3 微织构刀具磨损预测模型 223

7.3.1 刀具磨损模型的建立 223

7.3.2 回归模型的显著性检验 224

7.4 微织构刀具参数优化 226

7.4.1 设计变量 226

7.4.2 目标函数 226

7.4.3 微织构参数多目标优化结果 227

7.4.4 优化结果的试验验证 232

7.5 本章小结 233

参考文献 233

本书针对钛合金加工中存在工件表面质量差、刀具磨损严重等问题，考虑介观几何特征对刀具磨损、工件表面完整性及热-力耦合行为的影响，运用理论分析、仿真建模、试验等手段，从介观几何特征的制备入手，深入研究了刃口与微织构在切削钛合金过程中对刀具磨损、工件表面完整性及热力耦合行为的影响规律，并以此优化了介观几何特征参数，为实现钛合金高效加工及刀具优化设计提供了基础。