钛合金在切削过程中存在切削力与切削温度高、刀具磨损严重、工件表面质量差等问题。针对上述问题，微织构涂层刀具的研究与应用有效提高了钛合金的可加工性。然而，微织构涂层刀具的精准制备、复合工艺与性能监测的相关研究仍存在不足，限制其在工程应用领域的进一步发展。因此，本书采用理论分析、试验研究与模型建立相结合的方法，建立了刀具表面微织构分布模型，揭示了表面织构化与改性技术对刀具多尺度性能的作用机理，探究了微织构参数与切削参数的协同优化方法，构建了基于多维切削信号处理的铣削性能预测模型，最终实现了刀具表面微织构的模块化综合系统开发。

本书可供从事切削加工、刀具设计、表面工程及其他先进制造相关领域的科研工作者阅读，也可供高等院校机械、材料科学等相关专业的本科生和研究生参考。

钛合金铣削刀具织构化与改性技术 目录

第 2 章 球头铣刀微织构的设计基础理论与参数化建模方法

2.1 变分布密度微织构球头铣刀最小切削厚度研究

2.1.1 球头铣刀刀 - 屑 / 刀 - 工接触区域分析

2.1.2 变分布密度微织构的分布设计数学模型

2.1.3 基于黏 - 滑摩擦理论的钛合金最小切削厚度分析

2.1.4 钛合金最小切削厚度有限元仿真分析

2.1.5 基于工件表面质量的微织构刀具最小切削厚度试验分析

2.2 基于微织构分布模型的微织构参数化设计

2.2.1 微织构分布数学模型的建立

2.2.2 基于 UG 二次开发的微织构分布设计

2.3 介观几何特征球头铣刀铣削钛合金出口毛刺与白层理论关系模型

2.3.1 介观几何特征球头铣刀铣削钛合金出口毛刺尺寸模型

2.3.2 介观几何特征球头铣刀铣削钛合金白层尺寸模型

2.4 基于热 - 流耦合场的硬质合金熔覆表面熔池形态演变研究

2.4.1 硬质合金表面熔覆强化织构熔池热 - 流耦合仿真模型建立

2.4.2 激光工艺参数对激光熔覆强化织构熔池温度场及几何特征的影响规律

2.4.3 激光时序调控织构熔池演变过程研究

2.5 本章小结

参考文献

第 3 章 织构化与改性织构化硬质合金表面宏微观性能与摩擦学行为研究

3.1 改性织构化硬质合金表面宏微观性能研究

3.1.1 试验材料与改性织构设计思路

3.1.2 改性织构制备工艺与正交试验设计

3.1.3 宏微观性能测试平台与试验方法

3.1.4 改性织构表面微观形貌演化与缺陷修复机理

3.1.5 元素分布特征与富集机理

3.1.6 表层物相组成及其随能量密度的演化

3.1.7 显微硬度特征及工艺参数影响规律

3.1.8 摩擦磨损行为与磨损机理

3.2 改性织构化 AlCrN 涂层表面宏微观性能研究

3.2.1 改性织构化 AlCrN 涂层表面制备路线与正交试验设计

3.2.2 宏微观性能测试与表征方法

3.2.3 物相组成与相变特征

3.2.4 晶粒尺寸演化与细化机制

3.2.5 弹性模量特征与承载能力指征

3.2.6 显微硬度特征与参数敏感性

3.2.7 摩擦磨损行为与磨损形貌

3.2.8 灰色关联分析综合评价与制备工艺优选

3.3 织构化 AlCrSiTiN 涂层表面微观特性与疲劳性能研究

3.3.1 织构单元划分及面积占有率计算模型

3.3.2 涂层体系选择与复合制备路线

3.3.3 试样制备与试验方案设计

3.3.4 涂层表面能谱特征与微观形貌描述

3.3.5 基于数字图像分析的喷溅物占有率表征

3.3.6 织构轮廓分形维数及形貌形成机理

3.3.7 物相组成与晶粒尺寸定量分析

3.3.8 显微硬度及其影响机制

3.3.9 表面性能综合评价方法与优选结果

3.3.10 冲击疲劳试验平台与方案设计

3.3.11 循环载荷下冲击微损伤形貌与失效表征

3.4 不同熔覆材料对硬质合金激光熔覆强化织构表面宏微观性能影响研究

3.4.1 硬质合金表面激光熔覆 — 织构一体化制备平台搭建

3.4.2 不同熔覆材料及工艺参数下硬质合金激光熔覆强化织构表面微观性能研究

3.4.3 硬质合金织构表面摩擦磨损试验平台搭建

3.4.4 不同熔覆材料下硬质合金织构表面摩擦系数分析

3.4.5 不同熔覆材料下硬质合金织构表面磨损行为分析

3.4.6 基于熵权–TOPSIS 法的硬质合金织构表面宏微观性能综合评价

3.5 硬质合金表面激光熔覆强化织构制备及宏微观性能影响研究

3.5.1 硬质合金表面激光熔覆强化织构制备及其性能测试平台

3.5.2 激光熔覆工艺参数对硬质合金激光熔覆强化织构表面宏 - 微观性能影响研究

3.6 本章小结

参考文献

第 4 章 织构涂层化与激光熔覆强化织构化球头铣刀铣削性能与失效机理研究

4.1 球头铣刀铣削钛合金临界切深域研究

4.1.1 球头铣刀铣削钛合金的最小切削深度分析

4.1.2 硬质合金球头铣刀铣削钛合金试验

4.1.3 基于切削深度变化的刀具磨损演变分析

4.1.4 基于神经网络的球头铣刀前后刀面磨损预测

4.1.5 球头铣刀临界切深域界定准则

4.2 织构化 AlCrSiTiN 涂层球头铣刀铣削钛合金行为研究

4.2.1 织构化 AlCrSiTiN 涂层刀具铣削试验

4.2.2 织构化涂层刀具铣削过程力 - 热特性分析

4.2.3 织构化涂层球头铣刀表面刀屑接触区涂层失效分析

4.3 硬质合金表面改性织构化涂层球头铣刀铣削试验研究

4.3.1 硬质合金表面改性织构化涂层球头铣刀铣削试验方案设计

4.3.2 硬质合金表面改性织构化涂层球头铣刀铣削力结果分析

4.3.3 硬质合金表面改性织构化涂层球头铣刀磨损结果分析

4.3.4 硬质合金表面改性织构化涂层球头铣刀已加工表面粗糙度结果分析

4.4 面向工件表面毛刺与白层控制的硬质合金球头铣刀铣削试验研究

4.4.1 织构化硬质合金球头铣刀铣削钛合金试验

4.4.2 钝圆刃口对钛合金工件表面毛刺和白层的影响试验研究

4.5 硬质合金激光熔覆强化织构球头铣刀铣削钛合金切削性能研究

4.5.1 硬质合金激光熔覆强化织构球头铣刀制备及铣削试验方案

4.5.2 硬质合金激光熔覆强化织构球头铣刀铣削钛合金振动信号预处理

4.5.3 基于铣削振动信号的硬质合金激光熔覆强化织构球头铣刀铣削性能预测

4.6 本章小结

参考文献

第 5 章 微织构几何与切削参数协同优化理论方法与铣削性能预测模型

5.1 动态切深域下变分布密度微织构球头铣刀参数优化

5.1.1 变分布密度微织构球头铣刀铣削钛合金试验

5.1.2 变分布密度微织构球头铣刀的铣削行为分析

5.1.3 基于改进粒子群算法的微织构参数多目标优化研究

5.2 面向表面毛刺与白层抑制的微织构介观几何与切削参数联合优化

5.2.1 交互试验设计

5.2.2 毛刺高度试验结果分析

5.2.3 白层厚度试验结果分析

5.2.4 铣削温度试验结果分析

5.2.5 铣削力试验结果分析

5.3 基于 BO-CNN-BiLSTM 的 AlSiTiN 涂层球头铣刀铣削力预测模型

5.3.1 AlSiTiN 涂层球头铣刀铣削与性能测试试验平台搭建

5.3.2 AlSiTiN 涂层球头铣刀铣削振动特征值提取与分析

5.3.3 AlSiTiN 涂层球头铣刀铣削力采集

5.3.4 基于 BO-CNN-BiLSTM-Multihead-Attention 的铣削力预测模型构建

5.3.5 AlSiTiN 涂层球头铣刀铣削力模型预测结果分析

5.4 基于 Transformer-Bayes-SVR 的球头铣刀磨损值预测模型

5.4.1 基于 Transformer-Bayes-SVR 的球头铣刀磨损值预测流程

5.4.2 球头铣刀基准数据集预测分析

5.4.3 织构化涂层硬质合金球头铣刀铣削振动试验数据集预测分析

5.5 基于 BO-Transformer-LSTM 的工件表面质量预测模型

5.5.1 试验过程中工件表面粗糙度数据采集

5.5.2 BO-Transformer-LSTM 模型构建

5.5.3 BO-Transformer-LSTM 模型训练及回归模型预测研究

5.6 基于声信号的硬质合金球头铣刀铣削钛合金表面质量预测研究

5.6.1 钛合金表面改性层制备

5.6.2 钛合金改性层表面微观形貌及能谱分析

5.6.3 硬质合金球头铣刀铣削改性钛合金试验

5.6.4 硬质合金球头铣刀铣削表面涂敷改性钛合金试验

5.6.5 织构涂层化硬质合金球头铣刀制备及铣削试验方案

5.6.6 织构化球头铣刀铣削改性钛合金铣削结果分析

5.6.7 织构化球头铣刀铣削声信号预处理方法研究

5.6.8 Transformer-LSTM-SVR 工件表面质量预测模型研究

5.7 本章小结

参考文献

第 6 章 微织构球头铣刀铣削工艺数据库系统开发与工程应用决策方法

6.1 数据系统需求与总体架构

6.2 系统开发平台与关键技术

6.2.1 系统开发平台

6.2.2 数据系统结构设计

6.2.3 系统业务流程设计

6.2.4 系统数据库设计

6.3 系统模块功能实现

6.3.1 注册登录

6.3.2 信息查询与数据管理

6.3.3 微织构分布设计模块

6.3.4 铣削性能预测模块

6.3.5 参数优化模块

6.3.6 系统维护与帮助模块

6.4 本章小结

前言

钛合金具有强度高、耐腐蚀性能优异、生物亲和性强等优良性能，广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医疗及能源装备等诸多领域。然而，钛合金具有导热系数低、化学活性强、硬度高等难加工特性，在切削过程中存在切削力与切削温度高、刀具磨损严重、加工稳定性与工件表面质量差等问题，因此，钛合金的可靠性加工属于先进制造领域的重要研究内容。针对上述问题，微织构涂层刀具的研究与应用为提高钛合金的加工质量与加工效率指明了新的发展方向。

微织构与涂层技术在刀具表面的结合，有效地提高了刀具的切削性能，降低了刀具磨损，提升了工件表面质量。然而，目前对于刀具表面微织构的精准分布设计、微织构涂层刀具的复合工艺及其铣削性能监测的相关研究仍有不足，微织构涂层刀具在钛合金加工领域的精准制备与实际应用仍受到限制。近年研究发现，激光熔覆技术有利于修复材料加工后产生的缺陷、强化金属材料表面性能；而改性技术在工件表面的应用，可以有效提高工件的可加工性。因此，将刀具表面的微织构制备工艺与改性工艺相结合，可以进一步提升刀具的综合性能。

基于上述问题，本书将改性技术（刀具涂层技术、激光熔覆技术、钛合金工件改性技术）与表面织构技术相结合，以铣削钛合金用刀具为研究对象，采用 “刀具表面理论设计－刀具制备表征－刀具性能测试－铣削机理建模－铣削性能监测优化” 的系统研究路线，根据最小切削厚度理论，建立了刃口作用下的微织构均匀分布与变分布模型，基于热－流耦合理论揭示了激光熔覆作用下的刀具表面微织构成形机理，探究了改性技术与表面织构技术对刀具表面性能与铣削性能的协同影响，通过铣削过程中多维信号的表征，研究了微织构参数与切削参数的协同优化方法，构建了以机器学习与智能优化算法为基础的铣削性能预测模型，最终实现了刀具表面微织构参数化设计、铣削性能预测与优化的综合系统开发。该研究促进了铣削钛合金用刀具的延寿增效与工程化应用，为钛合金的高效高质量加工提供了一套完整的理论体系。

钛合金铣削刀具织构化与改性技术

本书作者多年从事铣削钛合金刀具改性技术和表面微织构技术的相关研究，具备扎实的理论基础，积累了丰富的试验研究经验。本书内容结合了作者及其团队近年来的科研成果，其撰写的目的是向读者介绍铣削钛合金用刀具从制备工艺到性能监测的最新研究进展，并促进相关成果在钛合金加工的实际应用中的进一步推广，希望对我国刀具技术和钛合金可靠性加工技术的发展起到积极作用。

本书共分为 6 章，由哈尔滨理工大学佟欣、张玉华与东北林业大学范宇超著。其中第 1、2、3 章主要由佟欣负责撰写，第 4、6 章主要由张玉华负责撰写，第 5 章主要由范宇超负责撰写。在本书的撰写过程中，邀请了相关领域的专家进行审阅，根据他们提出的宝贵意见完成了最终修改。本书的研究内容得到了国家自然科学基金项目 “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” 与黑龙江省自然科学基金项目 “涂层工艺与表面织构对球头铣刀切削性能联合调控机制研究” 的资助，在此致以衷心的感谢。

铣削钛合金刀具的改性技术与表面织构技术的研究正处于快速发展阶段，虽然作者在撰写过程中力求严谨，但书中疏漏与不足之处在所难免，恳请各位读者提出宝贵意见，共同促进铣削钛合金用刀具技术的发展。