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| 內容簡介： |
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钛合金材料的难加工性导致生产成本增加，进而影响其在航空和医学领域的有效应用。研究发现表面微织构涂层刀具可有效改善钛合金加工现状，但目前微织构与涂层协同作用机理尚不完整，对该工艺的应用仍有限制。因此本书以探究刃口作用下微织构与涂层对刀具多尺度性能的协同作用机理为目标。首先，通过实验和理论分析，研究了 AlCrN、AlSiTiN、AlCrSiTiN 以及 AlCrN/AlTiSiN 涂层微织构硬质合金样件的表面微观性能；其次，对织构化涂层硬质合金表面的摩擦磨损性能进行了深入研究；再次，建立了钝圆刃球头铣刀微织构均匀分布密度模型，并验证了该模型的有效性；最后，提出了一种织构化涂层刀具健康状态监测技术，能够准确识别刀具的磨损状态和损伤程度。 本书可供从事切削加工技术及刀具材料生产的科技工作者阅读，也可供高等院校机械类、表面工程类专业的本科生和研究生参考。
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| 目錄：
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织构化涂层硬质合金刀具多尺度性能研究
第 1 章 绪论
1.1 刀具表面微织构制备工艺研究现状
1.2 微织构对材料表面性能影响的研究现状
1.3 分形理论在切削刀具领域应用研究现状
1.4 微织构涂层刀具切削性能研究现状
1.5 工件预热在表面处理技术中应用的研究现状
1.6 本章小结
参考文献
第 2 章 微织构及涂层作用下硬质合金样件表面微观性能研究
2.1 AlCrN 微织构涂层硬质合金样件表面微观性能研究
2.1.1 AlCrN 微织构涂层硬质合金样件制备与测试
2.1.2 微织构及 AlCrN 涂层对硬质合金表面宏 - 微观性能影响机理研究
2.2 AlSiTiN 涂层微织构硬质合金样件表面微观性能研究
2.2.1 交互试验设计与试件的制备
2.2.2 不同微织构和涂层参数下硬质合金涂层表面物相分析
2.2.3 不同微织构与涂层参数下表面硬度与元素含量变化分析
2.2.4 不同微织构与涂层参数下膜 - 基结合强度分析
2.3 AlCrSiTiN 微织构涂层表面微观性能研究
2.3.1 织构化涂层样件设计制备及微观性能测试
2.3.2 不同织构化涂层表面能谱分析及微观形貌表征
2.3.3 不同织构化涂层表面物相与晶粒尺寸分析
2.3.4 织构化涂层显微硬度的影响机制
2.3.5 织构化 AlCrSiTiN 涂层表面性能综合评价
2.4 AlCrN/AlTiSiN 涂层微织构硬质合金样件表面微观性能研究
2.4.1 AlCrN/AlTiSiN 涂层及表面微织构制备试验
2.4.2 织构化技术对 AlCrN/AlTiSiN 涂层表面性能的影响研究
2.4.3 微织构参数对织构化复合涂层表面物相影响研究
2.4.4 微织构参数对织构化复合涂层表面元素影响研究
2.4.5 微织构参数对织构化复合涂层表面硬度影响研究
2.4.6 微织构参数对织构化复合涂层与 WC+Co 基体结合强度影响
2.5 织构尺寸效应下涂层硬质合金样件表面微观性能研究
2.5.1 试验平台搭建
2.5.2 织构尺寸效应下 AlCrN 涂层表面显微硬度分析
2.5.3 织构尺寸效应下 AlCrN 涂层表面物相分析
2.5.4 织构尺寸效应下 AlCrN 涂层表面结合强度分析
2.6 基于热辅助激光材料加工的织构化 AlSiTiN/AlCrN 涂层表面性能强化机理研究
2.6.1 搭建微织构与涂层制备试验平台
2.6.2 热辅助激光材料加工工艺下刀具织构化涂层表面性能研究
2.7 本章小结
参考文献
第 3 章 微织构及涂层作用下硬质合金表面摩擦磨损性能研究
3.1 织构化 AlCrN 涂层表面摩擦磨损性能影响研究
3.1.1 摩擦磨损试验平台搭建
3.1.2 基体织构参数对 AlCrN 涂层摩擦系数影响分析
3.1.3 织构化硬质合金 AlCrN 涂层表面磨损形貌分析
3.1.4 织构化 AlCrN 涂层表面性能模糊综合评价体系
3.2 织构化 AlSiTiN 涂层表面摩擦磨损性能的影响研究
3.2.1 硬质合金 - 钛合金低副摩擦试验平台的搭建
3.2.2 硬质合金表面摩擦磨损形貌分析
3.2.3 摩擦系数与能谱分析结果对比研究
3.2.4 基于织构化涂层表面性能的主成分分析
3.3 织构化 AlCrN/AlTiSiN 涂层表面抗磨减摩性能研究
3.3.1 织构化 AlCrN/AlTiSiN 涂层表面 - 钛合金摩擦磨损试验
3.3.2 织构化 AlCrN/AlTiSiN 涂层表面微织构生命周期预测模型
3.3.3 织构化 AlCrN/AlTiSiN 涂层表面磨损形貌分析
3.3.4 织构化 AlCrN/AlTiSiN 涂层表面性能综合评价
3.4 织构化 AlCrN 涂层硬质合金样件摩擦性能研究及系统振动解析
3.4.1 织构化 AlCrN 涂层硬质合金样件摩擦性能研究
3.4.2 微织构 - 涂层硬质合金与钛合金对磨试验摩擦特性模型
3.4.3 基于时域特征的微织构 - 涂层硬质合金样件振动分析
3.4.4 基于频域特征的微织构 - 涂层硬质合金样件振动分析
3.4.5 基于时频域特征的微织构 - 涂层硬质合金样件振动分析
3.5 织构化 AlSiTiN 涂层硬质合金 - 钛合金摩擦磨损试验振动时频特征研究
3.5.1 织构化 AlSiTiN 涂层硬质合金 - 钛合金摩擦磨损试验设计
3.5.2 摩擦磨损振动行为理论分析
3.5.3 振动信号时频分析方法研究
3.5.4 振动信号预处理分析
3.6 织构化 AlSiTiN/AlCrN 复合涂层硬质合金表面对磨钛合金噪声行为研究
3.6.1 织构化 AlSiTiN/AlCrN 涂层硬质合金对磨钛合金试验平台搭建
3.6.2 摩擦磨损试验噪声行为分析
3.6.3 织构涂层抗磨减摩机理揭示
3.6.4 微织构及涂层失效时间与交互作用分析
3.7 本章小结
参考文献
第 4 章 钝圆刃球头铣刀微织构均匀分布密度模型
4.1 不同置入位置的微织构球头铣刀铣削性能理论分析
4.1.1 微织构作用下刀屑接触界面摩擦能量模型
4.1.2 微织构作用下刀具 - 工件摩擦能量理论
4.1.3 前刀面微织构置入区域
4.1.4 后刀面微织构置入区域
4.2 不同置入位置的微织构球头铣刀铣削性能仿真研究
4.2.1 球头铣刀铣削钛合金仿真模型建立
4.2.2 前后刀面微织构参数正交仿真试验设计
4.2.3 不同置入位置微织构的球头铣刀铣削性能仿真对比研究
4.3 基于分形理论的球头铣刀刀 - 屑接触区域确定
4.3.1 分形理论及分形维数的计算
4.3.2 基于盒维数的球头铣刀刀 - 屑接触区域确定
4.3.3 结果对比及验证
4.3.4 球头铣刀表面微织构均匀分布设计仿真研究
4.4 基于均匀分布密度函数的球头铣刀微织构分布模型
4.4.1 椭圆内均匀分布随机点定理
4.4.2 刀 - 屑接触区域内微织构均匀分布模型的建立和验证
4.5 球头铣刀钝圆刃口及均匀分布密度微织构的作用机理
4.6 钝圆刃口作用下均匀分布密度微织构球头铣刀强度仿真
4.6.1 试验设计及有限元模型的建立
4.6.2 设置刀具材料参数和网格划分
4.6.3 仿真结果分析
4.7 本章小结
参考文献
第 5 章 微织构及涂层作用下硬质合金球头铣刀铣削性能研究
5.1 织构化 AlCrN 涂层硬质合金球头铣刀铣削性能研究
5.1.1 铣削试验方案设计
5.1.2 铣削力试验结果分析
5.1.3 表面粗糙度试验结果分析
5.1.4 刀具磨损量试验结果分析
5.2 织构化 AlSiTiN 涂层硬质合金球头铣刀铣削性能研究
5.2.1 涂层织构化的球头铣刀制备
5.2.2 涂层织构化的球头铣刀铣削力试验研究
5.2.3 涂层织构化的球头铣刀铣削钛合金时的温度研究
5.2.4 涂层织构化的球头铣刀表面磨损研究
5.2.5 涂层织构化的球头铣刀铣削钛合金表面粗糙度研究
5.2.6 基于人工蜂群算法的织构与涂层参数优化
5.3 织构化 AlCrN/AlTiSiN 涂层硬质合金球头铣刀铣削性能研究
5.3.1 试验平台的搭建
5.3.2 铣削力实验结果分析
5.3.3 工件表面粗糙度实验结果分析
5.3.4 刀具磨损值实验结果分析
5.3.5 织构化复合涂层球头铣刀介观几何特征参数优化
5.4 织构化 AlCrN 涂层及钝圆刃口对刀具铣削性能和工件表面完整性影响机理研究
5.4.1 微织构 - 涂层钝圆刃刀具铣削钛合金试验平台搭建
5.4.2 微织构 - 涂层钝圆刃刀具铣削性能研究
5.4.3 已加工工件表面完整性研究
5.4.4 微织构 - 涂层钝圆刃刀具铣削机理及响应机制研究
5.4.5 刀具钝圆刃口及织构 - 涂层参数设计
5.5 织构化 AlCrSiTiN 涂层硬质合金球头铣刀铣削性能研究
5.5.1 试验平台的搭建
5.5.2 织构化涂层刀具铣削过程力 - 热特性分析
5.5.3 织构化涂层刀具表面刀屑接触区涂层失效分析
5.6 基于振动行为的织构化 AlSiTiN 涂层球头铣刀铣削钛合金表面质量预测研究
5.6.1 硬质合金球头铣刀铣削钛合金实验设计
5.6.2 硬质合金球头铣刀铣削钛合金时振动幅值特征分析
5.6.3 微织构涂层球头铣刀铣削钛合金振动与铣削性能关联研究
5.6.4 基于铣削振动数据引入铣削力关联特征的钛合金表面加工质量预测研究
5.7 基于热辅助激光材料加工技术的织构化 AlSiTiN/AlCrN 涂层球头铣刀性能影响研究
5.7.1 铣削与性能测试试验平台搭建
5.7.2 结合热辅助激光材料加工的织构化涂层刀具铣削性能研究
5.7.3 织构化涂层刀具铣削钛合金中心复合试验平台搭建
5.7.4 铣削力与织构化涂层刀具制备工艺参数的关联性研究
5.7.5 铣削噪声与织构化涂层刀具制备工艺参数的关联性研究
5.7.6 刀具磨损量与织构化涂层刀具制备工艺参数的关联性研究
5.7.7 工件表面粗糙度与织构化涂层刀具制备工艺参数的关联性研究
5.7.8 基于响应曲面法的织构化涂层刀具制备工艺参数多目标优化
5.8 本章小结
参考文献
第 6 章 基于改进深度学习方法的织构化涂层刀具健康状态监测研究
6.1 基于 NGO-VMD-WT 降噪方法研究
6.1.1 变分模态分解方法基本原理
6.1.2 北方苍鹰优化算法的基本原理
6.1.3 基于 NGO-VMD-WT 算法的降噪方法与流程
6.1.4 NGO-VMD-WT 降噪方法的实例分析
6.2 基于摩擦磨损试验的织构化涂层表面摩擦行为研究与刀具制备
6.2.1 钛合金盘 - 硬质合金销摩擦磨损试验平台搭建
6.2.2 基于 NGO-VMD-WT 方法的摩擦磨损试验声信号预处理
6.2.3 摩擦磨损试验声信号的时频图及其特征值提取
6.2.4 基于 STFT 方法的织构化涂层表面摩擦行为研究
6.3 基于改进深度学习方法的织构化涂层刀具健康状态识别
6.3.1 基于 MSCNN-LSTM-Attention 方法的刀具健康状态识别模型建立
6.3.2 织构化涂层刀具磨损试验平台搭建
6.3.3 织构化涂层刀具铣削性能与磨损阶段划分
6.3.4 刀具磨损试验声信号预处理
6.3.5 MSCNN-LSTM-Attention 模型的可适用性验证
6.4 本章小结
参考文献
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前言 钛合金因其优异的力学性能、耐腐蚀性和生物亲和性，被广泛应用于航空航天、医疗等高端制造领域。然而，钛合金的难加工性（如高硬度、低导热性、易加工硬化等）导致切削过程中刀具磨损严重、加工效率低下。钛合金零件的精密加工对刀具性能提出了极高要求，传统刀具难以满足这些需求。因此，开发新型刀具以改善钛合金加工现状，成为当前制造业亟待解决的关键问题，其中刀具表面微织构与涂层技术的结合为该问题提供了新的思路。 微织构涂层刀具能够显著降低刀具磨损、提高工件表面质量。然而，目前相关研究仍存在不足，如微织构涂层协同作用机理尚未明确，限制了微织构涂层刀具在钛合金加工中的广泛应用。近年研究发现，刀具刃口特征对微织构分布方式与微织构特征具有显著影响。因此，揭示刃口作用下微织构与涂层对刀具切削性能的协同作用机理，可进一步改善钛合金加工现状。 本书将刀具表面微织构与涂层技术相结合，系统研究了微织构与涂层对硬质合金球头铣刀表面微观性能、摩擦磨损性能以及铣削性能的协同影响，并探讨了基于改进深度学习方法的微织构涂层刀具健康状态监测技术，最终实现微织构涂层制备工艺的优化。同时，刃口作用下微织构与涂层对刀具多尺度性能的协同作用机理也得以揭示。该研究对于提高硬质合金刀具在钛合金加工中的耐用度、实现钛合金材料的高质量加工具有重要学术价值。 本书作者多年来致力于刀具表面织构技术和微织构涂层刀具研究，在该领域积累了丰富的实验数据和理论依据。本书内容基于作者多年来的研究成果，并结合了作者在国内外发表的专业领域期刊论文及作者指导的博士研究生的论文。撰写本书的目的在于向读者介绍微织构涂层刀具领域的最新进展，并在实际应用中推广这些成果，希望能对我国刀具技术的发展和应用水平的提高起到积极有益的作用。 本书由佟欣与杨树财共同撰写，其中第 1 章至第 4 章主要由佟欣负责撰写，第 5 章至第 6 章主要由杨树财负责撰写，经相关领域专家审阅，综合所提出的宝贵意见完成最终修改。本书的研究内容得到了国家自然科学基金面上项目 “多能场辅助下类自修复刀具可控制备及其铣削性态调控机制” 与国家自然科学基金青年基金项目 “介观几何特征与涂层协同作用下球头铣刀铣削钛合金行为及工件表面完整性研究” 的资助，在此表示衷心的感谢。 由于微织构涂层刀具技术仍处于快速发展阶段，作者在研究和撰写过程中虽力求严谨，但仍难免存在不足之处。欢迎读者提出宝贵意见，以便本书不断完善，为微织构涂层刀具技术的发展贡献力量。 佟 欣 2025 年 3 月
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