-
>
公路車寶典(ZINN的公路車維修與保養秘籍)
-
>
晶體管電路設計(下)
-
>
基于個性化設計策略的智能交通系統關鍵技術
-
>
花樣百出:貴州少數民族圖案填色
-
>
山東教育出版社有限公司技術轉移與技術創新歷史叢書中國高等技術教育的蘇化(1949—1961)以北京地區為中心
-
>
鐵路機車概要.交流傳動內燃.電力機車
-
>
利維坦的道德困境:早期現代政治哲學的問題與脈絡
激光加熱輔助切削技術/哈爾濱理工大學制造科學與技術系列專著 版權信息
- ISBN:9787030707178
- 條形碼:9787030707178 ; 978-7-03-070717-8
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
激光加熱輔助切削技術/哈爾濱理工大學制造科學與技術系列專著 內容簡介
復合加工技術是幾種加工技術的結合,可以發揮不同加工方法各自的優勢。激光加熱輔助切削技術就是一種具有代表性的復合加工技術。本書以典型的高溫合金、工程陶瓷等難加工材料為研究對象,闡述激光加熱輔助切削技術的研究方法與研究手段,研究加工的機理、工藝參數影響規律、刀具磨損特點及工藝參數優化方法等內容。 本書適合高等院校機械工程類專業的師生閱讀,也適合從事復合切削技術應用與研究的企業工程技術人員、科研院所研究人員參考閱讀。
激光加熱輔助切削技術/哈爾濱理工大學制造科學與技術系列專著 目錄
前言
第1章 激光加熱輔助切削技術概述 1
1.1 典型難加工材料的加工技術 1
1.1.1 高溫合金加工 1
1.1.2 陶瓷材料加工 3
1.1.3 復合材料加工 5
1.1.4 復合加工技術 6
1.2 激光加熱輔助切削技術進展 7
1.2.1 激光加熱輔助切削機理 9
1.2.2 激光加熱輔助切削仿真研究進展 11
1.2.3 激光加熱輔助切削試驗研究進展 15
1.2.4 激光加熱輔助切削技術研究發展方向 17
第2章 激光與材料的相互作用 23
2.1 材料對激光的吸收 23
2.1.1 激光的功率分布 23
2.1.2 激光加熱的溫度分布 24
2.2 激光與難加工材料的作用 26
2.2.1 激光與氮化硅陶瓷的作用 27
2.2.2 激光與鎳基高溫合金的作用 29
2.3 激光加熱輔助切削過程中切屑的形成 32
2.3.1 熱壓燒結氮化硅陶瓷的切屑形成 32
2.3.2 高溫合金的切屑形成 33
第3章 激光加熱輔助切削仿真 35
3.1 激光加熱溫度場仿真 35
3.1.1 激光加熱輔助車削溫度場模型 35
3.1.2 激光加熱輔助銑削溫度場模型 41
3.2 切削過程仿真 45
3.2.1 切削理論模型 45
3.2.2 激光加熱輔助高速銑削Inconel 718合金過程分析 53
3.2.3 陶瓷材料邊緣碎裂仿真 59
第4章 激光加熱輔助切削過程測試及分析 64
4.1 溫度測量與激光吸收率的測定 64
4.1.1 工件表面溫度測量 64
4.1.2 激光吸收率的測定 66
4.2 激光加熱溫度測量及試驗分析 71
4.2.1 激光加熱輔助車削氮化硅陶瓷溫度場仿真與試驗分析 71
4.2.2 激光加熱輔助銑削氮化硅陶瓷溫度場仿真與試驗分析 75
4.2.3 激光加熱輔助銑削K24高溫合金溫度場仿真與試驗分析 78
4.2.4 矩形光斑加熱Inconel 718合金溫度場模型 82
4.3 刀具磨損視覺檢測 85
4.3.1 刀具磨損圖像預處理 86
4.3.2 圖像形態學處理 91
4.3.3 圖像邊緣檢測 93
4.3.4 基于改進的Zernike矩亞像素邊緣檢測 94
4.3.5 銑削刀具磨損幾何參數測量方法 96
4.3.6 刀具磨損監測結果 98
4.4 銑削刀具磨損類型自動識別 100
4.4.1 深度學習的典型學習模型 100
4.4.2 基于卷積神經網絡的銑削刀具磨損類型自動識別 106
4.4.3 試驗結果和分析 109
第5章 激光加熱輔助切削難加工材料試驗 112
5.1 氮化硅陶瓷材料加工 112
5.1.1 氮化硅陶瓷激光加熱輔助車削加工 112
5.1.2 氮化硅陶瓷激光加熱輔助銑削加工 119
5.2 鋁基復合材料加工 128
5.3 高溫合金材料加工 132
5.3.1 激光加熱輔助銑削高溫合金K24試驗 132
5.3.2 激光加熱輔助銑削高溫合金GH4698試驗 137
5.3.3 激光加熱輔助銑削高溫合金Inconel 718試驗 142
5.4 高溫合金材料加熱輔助銑削刀具磨損規律 145
5.4.1 刀具材料選用分析 145
5.4.2 刀具磨損過程與磨損形式 146
5.4.3 PVD、CVD涂層硬質合金刀具磨損研究 150
5.4.4 PCBN及陶瓷刀具銑削磨損研究 153
5.4.5 激光加熱輔助銑削刀具壽命研究 155
第6章 激光加熱輔助切削工藝參數優化 166
6.1 氮化硅陶瓷加工工藝參數優選 166
6.1.1 車削加工工藝參數優選 167
6.1.2 銑削加工工藝參數優選 175
6.2 高溫合金加工工藝參數優選 182
6.2.1 K24高溫合金的激光加熱輔助銑削工藝參數 182
6.2.2 Inconel 718合金的激光加熱輔助銑削工藝參數 184
6.3 激光加熱輔助銑削工藝參數優化技術 188
6.3.1 優化目標設定 188
6.3.2 邊界約束條件 191
6.3.3 遺傳算法優化技術 191
6.3.4 基于NSGA-Ⅱ多目標銑削參數優化 196
第7章 激光加熱輔助銑削加工應用 199
7.1 溫度反饋系統建立 199
7.1.1 激光反饋溫度模型建立 199
7.1.2 神經網絡訓練計算 201
7.1.3 溫度反饋模型仿真 203
7.2 陶瓷材料的連續軌跡加工 209
7.2.1 激光加熱輔助銑削加工系統建立方案 210
7.2.2 激光加熱輔助銑削連續軌跡加工溫度場仿真 215
7.2.3 溫度場仿真結果 217
7.2.4 激光加熱輔助銑削連續軌跡加工結果 221
7.3 高溫合金材料平面銑削加工 222
參考文獻 224
激光加熱輔助切削技術/哈爾濱理工大學制造科學與技術系列專著 節選
第1章 激光加熱輔助切削技術概述 隨著材料科學技術日新月異的發展與進步,新材料層出不窮,如高性能陶瓷材料、復合材料等,材料的性能不斷進步。航空航天、交通運輸、電子信息、能源動力等行業對高性能材料的需求也越來越大。大量難加工材料出現,如超硬材料有淬硬鋼、工程陶瓷、復合材料等,其硬度高于250HBS;超塑性材料有銅合金、鋁合金、鈦合金和高溫合金等;高強度材料有高強度鋼和超高強度鋼;半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等。 切削是機械制造中*主要的加工方式,而常規加工方式應用在新材料的加工中會出現加工效率低、刀具磨損嚴重、加工質量無法達到要求的問題。針對難加工材料性能的提升,切削新技術不斷涌現。高速切削技術采用較高的切削速度,切削力隨切削速度的提高而下降;同時,切屑帶走大量的切削熱,會降低切削溫度,從而提高刀具壽命,提升加工效率。綠色切削技術通常采用干式切削、低溫冷風切削或綠色切削液濕式切削等方式,在解決切削液污染及廢液處理問題的同時可提高難加工材料的切削性能。此外,切削技術與特種加工技術的結合為難加工材料的加工帶來了新的機遇。 1.1 典型難加工材料的加工技術 1.1.1 高溫合金加工 高溫合金又稱耐熱合金或超合金,是20世紀40年代發展起來的一種新型航空金屬材料,在600~1100℃的氧化和燃氣腐蝕條件下可以承受復雜應力,并且能長期可靠地工作,主要用于航空發動機的熱端部件,也是航天、能源和交通運輸工業等行業需要的重要材料。 高溫合金按基體可分為鎳基、鐵基和鈷基三類,其中鎳基合金的發展*快,使用*廣。目前,用作渦輪葉片的鎳基變形高溫合金,其*高使用溫度為950℃;用作燃燒室部件的*高使用溫度約為1000℃;用作渦輪盤的*高使用溫度為800~850℃。鑄造高溫合金由合金錠重熔后直接澆鑄而成,是在高溫及氧化腐蝕環境中長期穩定工作的金屬結構材料,在航空工業上的重要用途是制造航空燃氣渦輪發動機渦輪葉片、導向葉片、增壓器等。 許多學者對高溫合金的加工進行了研究,使用硬質合金A3102銑刀對高溫合金GH163進行加工時,發現在切削參數進給量和切削速度不變的情況下,軸向切深對振動的影響非常小,但是如果銑削速度增大、進給量減小,則會引起劇烈的振動。觀察加工后刀具可以發現,刃口的邊界磨損很大;切削刃上發生局部崩刃且沒有切屑黏附在上面。從切屑形態得到,其背面在加工過程中被壓擠的現象比較嚴重。切屑的顏色微藍,說明工件的溫度高,摩擦力非常大。加工過程中高溫合金產生的加工硬化現象比較嚴重,使單位面積的刃口所受的切削力增加,再加上工藝系統的振動,所以在銑削加工過程中崩刃的現象時常發生。 Liao等利用K20和P20刀具研究了高溫合金Inconel 718的切削機理,研究發現,在切削溫度達到1000℃時,刀具中的粒子通過晶界擴散到黏結劑Co相中,減弱了黏結劑和硬質相的黏結強度,出現了比較嚴重的積屑瘤;采用含量不同的Co硬質合金刀具對GH4133進行切削,發現YBG202刀具切削磨損速度和程度明顯高于YBG102,Co含量越低,硬質合金刀具的導熱系數越高,在切削過程中可以使切削區域保持較低的溫度,同時提高刀具的高溫硬度,增加刀具的耐用度。 高速切削不僅可以縮短切削時間,而且可以大幅度提高切削效率,與傳統切削加工相比,它具有加工精度較高、加工表面完整性較好、加工耗能低等優點。通過對鎳基高溫合金的加工試驗研究發現,高速切削鎳基高溫合金獲得的加工表面具有表面粗糙度低、硬化層深度小、殘余應力小等特點,故高速切削是提高高溫合金加工效率、改善加工表面質量、延長高溫合金構件疲勞壽命的理想加工方法。例如,杜隨更等對高溫合金GH4169進行了高速銑削研究,切削速度范圍為37.7~226.1m/min,切削力隨著切削速度的增加先增大后減小;銑削表面粗糙度隨著切削速度增大而減小,隨著每齒進給量的增大而增大。曹成銘等對高溫合金Inconel 718進行了高速銑削研究,切削速度范圍為800~1400m/min,表面粗糙度Ra隨切削速度的增大而減小。隨著切削速度的增加,加工表面完整性越來越好,高速切削對表面加工硬化有一定的緩解作用。鎳基合金Inconel 718工件材料中含有大量的硬質顆粒,刀具切入工件時,切屑和工件分離,顆粒緊密地黏結在刀具的前刀面。隨著切削速度的提高,高溫合金Inconel 718的熱軟化效應加強,切屑軟化的程度越來越高,刀-屑以及硬質顆粒之間的摩擦劃痕很容易在摩擦中磨平,切屑的表面質量越來越好。 目前,就加工高溫合金的刀具材料而言,普通的工具鋼和硬質合金刀具通常無法勝任加工需求,因此在高溫合金材料的加工中通常采用高性能的刀具材料。涂層硬質合金刀具、聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride,PCBN)、金剛石刀具和陶瓷刀具都可以用來加工鎳基高溫合金。目前,涂層硬質合金刀具應用*廣,切削速度可達到100~200m/min。但是隨著生產上對于更快的材料去除速率和更好的加工表面完整性的需求,涂層硬質合金刀具不適合高速加工的缺點就被暴露出來。涂層剝落是刀具*初的磨損形態,由于接觸區較窄,在高壓、剪切應力和機械沖擊的作用下,刀具切削刃的涂層首先被破壞,隨著切削長度的增加,涂層剝落,刀具的基體材料更多地暴露出來。在銑削過程中,由于熱沖擊的影響,刀具在磨損過程中會產生熱裂紋。此時采用性能更加優良的陶瓷刀具、PCBN刀具進行高速加工,對于提高生產率是一種很好的選擇。研究表明,使用低立方氮化硼(cubic boron nitride,CBN)含量、陶瓷結合劑、細晶粒的CBN刀具切削合金Inconel 718時表現*佳;使用CBN含量為45%~60%的刀具在250~300m/min切削速度范圍內進行切削時,刀具磨損狀態較好。 1.1.2 陶瓷材料加工 氮化硅、氧化鋁、碳化硅等工程陶瓷材料具有耐高溫、硬度高、熱膨脹系數小、抗氧化、耐化學腐蝕的性能,尤其能夠在惡劣的工作環境下保持高強度、耐腐蝕、抗磨損的穩定性能,優于金屬材料和高分子材料。工程陶瓷以其良好的性能,逐漸應用于化工、冶金、機械、電子、能源等領域,并具有舉足輕重的地位,成為現代工程結構材料的重要支柱之一。 工程陶瓷在航空航天等高科技領域有廣泛的應用。與高溫合金相比,工程陶瓷的使用溫度提高了約400℃,密度只有高溫合金的40%,相同體積的零部件可減輕質量約60%。在航空發動機中使用陶瓷材料,高速轉子可以大大降低離心負荷;可減少或取消冷卻系統而簡化結構,使發動機更緊湊,提高發動機的推重比,降低燃料消耗。目前,已有用陶瓷材料制造的渦輪葉片、火焰導管、雷達天線保護罩、燃燒室內壁與噴嘴、瞄準陀螺儀軸承,以及采用壓電、絕緣陶瓷制造的加速度計、陀螺儀等。未來的航天器發展趨勢是“廉價、快速、機動、可靠”,需要更多采用質量輕、耐高溫、剛度好、強度高的材料,因此,陶瓷材料在航空航天領域將有更廣闊的應用空間。此外,陶瓷材料還廣泛應用于機械設備和其他工業領域,例如,陶瓷材料刀具,其耐磨性是金屬切削刀具的60倍,并且不會發生銹蝕和變色,能抵抗各種酸堿有機物的腐蝕,在高溫條件下硬度高、化學惰性好,使用壽命長;采用工程陶瓷材料制造的陶瓷軸承,其耐磨強度和硬度要比金屬軸承高很多,使用壽命長,具有耐高溫、抗磨損、剛度高、熱變形小的特點,以及良好的絕緣性,可在無潤滑條件下工作,應用于機床、汽車、飛機、輸送機械等設備上;采用陶瓷材料制成的發動機,由于工作溫度升高,可提高發動機的工作效率,延長發動機的使用壽命,節省能量消耗,并且使燃料充分燃燒,減少廢氣污染成分,更加環保;新型陶瓷的渦輪增壓器可以減輕自身質量,提高發動機的工作效率,延長發動機的使用壽命;還有用陶瓷材料制造的密封環、活塞、凸輪、缸套、缸蓋、燃氣輪機燃燒器、渦輪葉片、減速齒輪等零部件。 盡管工程陶瓷材料具有上述優點,但脆性是陶瓷材料的弱點,容易在機械沖擊和溫度急變的情況下發生斷裂。脆性的本質取決于陶瓷材料的化學鍵性質和晶體結構。陶瓷材料的化學鍵主要是離子鍵、共價鍵或離子-共價鍵的混合鍵,它們不僅結合強度高,而且具有方向性。陶瓷材料缺乏獨立的滑移體系,一旦處于受力狀態,滑移引起的塑性變形很難使材料產生松弛應力。此外,陶瓷材料中還存在大量的微裂紋,這些微裂紋容易造成應力高度集中,引起陶瓷材料的脆斷;而陶瓷微觀結構又是不均勻的、復雜的,在陶瓷中有相當多的氣孔相和玻璃相。這種結構特征直接決定了陶瓷材料具有較好的物理性能,同時也說明了陶瓷材料存在脆性大、加工困難、重復性能差等缺點。 磨削是工業應用中加工陶瓷的主要方式,具有加工精度高、表面粗糙度小等優點。但是由于磨削力大、磨削溫度高,加上砂輪導熱性差,容易造成表面損傷及微裂紋,從而降低材料的強度;磨削加工效率低,金剛石砂輪磨損率高,會導致磨削加工成本較高。近年來,國內外學者將研究重點放在開發提高磨削效率的高效磨削加工方法如高速磨削、緩進磨削等磨削工藝上,通過提高磨削速度或磨削深度來提高加工效率,但工件表面破損情況仍未得到改善。磨削的過程中,磨粒與材料的表面接觸,在接觸點附近由于尖銳接觸引起的高度局部應力集中使表面產生微裂紋。所形成的徑向與側向裂紋相互交錯,在材料表面和亞表面形成裂紋群,影響材料的斷裂強度及其他力學性能。磨削產生的加工裂紋往往導致材料強度衰減,與材料表面的其他類型損傷相比,更容易成為材料中的*危險裂紋。對陶瓷材料的加工來說,在某些情況下,加工質量比加工效率更重要。 工程陶瓷材料的硬度低于金剛石及CBN,因此金剛石和CBN刀具能夠勝任陶瓷的切削。多晶金剛石刀具難以產生光滑鋒利的切削刃,一般只用于粗加工,而工程陶瓷精密車削需要使用天然單晶金剛石刀具,采用微切削方式。Inoue等將金剛石自動磨銳技術應用在單晶金剛石切削氧化鋁試驗中,加工結果表明此技術可以降低表面粗糙度并且提高刀具壽命。但由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大,車削加工仍難以保證加工精度和加工質量的要求。 激光加工是利用聚焦高能激光束直接作用于被加工的物體表面,使物質發生局部瞬間熔化以至汽化,從而達到加工的目的。袁根福針對激光銑削過程中熔體噴射的物理機理,進行了溫度場、物質噴射的速度場研究,建立了相應的理論模型,并進行了氧化鋁陶瓷的激光銑削試驗,然而,在加工過程中,不能避免熔融物質的重凝和熔渣對表面的覆蓋,因此制約了表面質量的提高。Carrol等對激光加工碳化硅復合陶瓷的熱影響區進行了研究,獲得了良好的加工質量,但高能激光作用導致表面熱損傷和表面裂紋。Cheng等采用三維雕刻系統,通過優化加工參數控制單層雕刻深度,在氧化鋁陶瓷上激光加工得到的五角星工件,如圖1-1所示。激光加工是一種無接觸、無切削力的加工方法,沒有工具損耗,但由于激光加工時,光束瞬時輻射,在材料表面產生局部高溫,會形成很大的溫度梯度,對工件造成熱損傷、產生表面裂紋,并改變工件表面的微觀組織,從而降低材料的強度。 電火花加工主要通過電極間脈沖放電產生高溫熔化和汽化來蝕除材料,在陶瓷材料的成形加工應用研究上發展迅速。特別是近十年來,輔助電極法使絕緣材料的電火花加工成為可能。陶瓷絕緣體表面可作為輔助電極,輔助電極和工作液分解出的碳顆粒等電導復合材料不斷在已加工陶瓷表面生成,從而保證了加工的持續進行。Takayuki等采用電火花線切割技術將50mm3的氮化硅陶瓷工件加工出椅子形狀,如圖1-2所示,加工時間雖然長達24h,但以目前的傳統機械加工方法是難以完成的。微波電磁能量能穿透介質材料,傳送到物質的內部,并與物體的原子、分子互相碰撞、摩擦,產生熱量。Jerby等利用微波天線定向加熱陶瓷,使陶瓷材料被加工區局部熔融,然后將微波天線插入熔融區形成孔洞,完成對陶瓷材料的加工。 圖1-1 激光加工得到的五角星工件 圖1-2 線切割方法加工得到的椅子工件 1.1.3 復合材料加工 金屬基復
- >
朝聞道
- >
史學評論
- >
經典常談
- >
姑媽的寶刀
- >
自卑與超越
- >
龍榆生:詞曲概論/大家小書
- >
上帝之肋:男人的真實旅程
- >
二體千字文