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出版者:

作者:Smith, Graham T.

出品人:

页数:613

译者:

出版时间:2008-8

价格:$ 213.57

装帧:

isbn号码:9781848002043

丛书系列:

图书标签:

• 切削工具
• 金属切削
• 制造工程
• 机械工程
• 材料科学
• 加工技术
• 刀具
• 数控加工
• 表面工程
• 工业技术

现代精密制造中的刀具设计与应用：面向高性能切削的材料、几何与工艺优化 本书旨在深入探讨现代精密加工领域中，切削刀具的设计、制造、材料选择、几何优化以及在实际应用中的性能评估与改进策略。本书内容不涉及《Cutting Tool Technology》一书的具体章节或主题划分，而是聚焦于当代先进制造技术对刀具提出的新要求和解决方案。 --- 第一部分：先进切削刀具材料的演进与选择 本部分详尽考察了高性能切削刀具所依赖的基体材料和涂层技术的发展脉络与前沿应用。现代制造对刀具材料提出了极高的耐磨性、高温强度、抗氧化性和韧性要求，尤其是在干式切削和高速加工（HSM）日益普及的背景下。 第一章：硬质合金的微观结构控制与性能提升 详细分析了钴基硬质合金（WC-Co）中碳化钨颗粒尺寸分布、晶界控制以及粘结相（钴）含量对整体机械性能的影响。重点讨论了晶粒细化技术（如高能球磨和烧结过程的精密控制）如何提升硬质合金的抗冲击性和耐磨性。此外，内容涵盖了新型高氮硬质合金和高钴合金在极端工况下的应用潜力，以及如何通过元素掺杂（如钽、钒）来抑制高温下的晶粒生长，从而延长刀具寿命。 第二章：陶瓷与超硬材料：挑战极限 深入研究了非氧化物陶瓷（如氮化硅 $ ext{Si}_3 ext{N}_4$、碳化硅 $ ext{SiC}$）和氧化物陶瓷（如氧化铝 $ ext{Al}_2 ext{O}_3$）在高速和高温加工中的独特优势。分析了陶瓷材料的断裂韧性增强机制，包括晶须增强和颗粒复合技术。重点讨论了立方氮化硼（CBN）在加工淬硬钢和镍基高温合金时的应用挑战与解决方案，特别是针对其与黑色金属材料间的化学反应敏感性。 第三章：金刚石工具与涂层技术 阐述了聚晶金刚石（PCD）在有色金属和复合材料加工中的不可替代性。讨论了天然金刚石与人造聚晶金刚石的性能差异，以及PCD刀具的烧结技术和基体结合强度问题。在涂层技术方面，本书详述了化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）工艺的原理、优缺点及其在不同基体材料上的附着力优化策略。特别关注了超硬类金刚石（DLC）涂层在减少摩擦、抑制积屑瘤形成方面的应用，以及多层复合涂层结构设计对刀具性能的协同增效作用。 --- 第二部分：刀具几何参数的理论建模与优化设计 本部分侧重于切削几何参数如何精确控制切削力、切削温度和表面完整性。刀具几何不再是经验的集合，而是基于切削物理学和数值模拟的精确设计。 第四章：前刀面与后刀面的接触应力分析 建立了描述前刀面与切屑、后刀面前缘与已加工表面之间接触区域的数学模型。通过有限元分析（FEA）模拟，探讨了不同主偏角（$kappa_r$）和刀尖圆弧半径（$r_{eta}$）对切削力系数、切削热产生速率和残余应力的影响。精确计算了主切削刃上的应力集中点，并提出了基于局部应力峰值的优化设计准则。 第五章：切削刃形状与微观刃口处理 本章着重于刀具刃口几何的微观结构对加工性能的决定性作用。详细分析了刃口倒棱（Chamfer）和微观刃口抛光（Honing）对断屑过程的影响。通过量化刃口强度和刃口前倾角（$gamma_{o}$）之间的权衡关系，指导设计者在高负前角切削或高进给率加工中选择最合适的刃口强化方案，以有效避免刀刃崩刃。 第六章：复杂三维切削刀具的参数化建模 针对铣削和车削中的复杂刀具（如多刃铣刀、内冷钻头），介绍了基于参数化方法建立三维几何模型的流程。重点讨论了刀具的径向和轴向几何参数（如螺旋角、刃数组合）如何协同作用于复杂的切削区域。引入了刀具路径规划与刀具几何参数的集成优化方法，以确保在复杂曲面加工中刀具始终处于最佳受力状态。 --- 第三部分：先进加工过程中的热力学与磨损机制 理解切削过程中的能量转化和刀具的失效模式，是实现长寿命和高精度加工的关键。 第七章：切削过程中的热行为与温度场预测 系统阐述了切削过程中热源的定位、大小及其在刀具、工件和切屑中的瞬态分布。介绍了基于摩擦学模型的切削温度预测方法，并探讨了刀具内部热循环对材料微观结构稳定性的影响。对比分析了干式切削、最小量润滑（MQL）和传统冷却方式在热量管理方面的效率差异。 第八章：刀具磨损的动力学模型与失效预测 本章聚焦于机械磨损（如后刀面磨损、月牙洼磨损）、粘附磨损和扩散磨损等主要失效模式。建立了基于Taylor和Usui模型改进的寿命预测模型，并引入了在线监测数据（如振动信号、声发射）对磨损过程进行实时表征。详细分析了不同材料组合（如陶瓷对镍基合金）下，化学扩散磨损的主导作用及其抑制策略。 第九章：切削过程中的振动与声发射分析 探讨了切屑的形成机制与切削振动的耦合关系，特别是对于产生非线性振动的带状切屑（BUE）问题。介绍了声发射（AE）技术在监测刀具微观裂纹萌生和早期崩刃事件中的应用。通过建立振动模型与刀具刚度的关联，为实现自适应控制系统提供理论基础，以避免进入颤振区域。 --- 第四部分：特定加工任务的刀具系统集成与应用 本部分将理论知识应用于具体的现代加工场景，关注系统集成和工艺适应性。 第十章：高速与超高速加工（HSM/UHSM）的刀具对策 分析了HSM带来的高热流密度和高应变率对刀具性能的严峻考验。讨论了专门设计用于UHSM的、具有极小切深和高正前角的微结构刀具。重点介绍了内冷技术（High-Pressure Coolant, HPC）如何通过冲击冷却和切屑冲刷作用，显著改善深孔钻削和高速铣削的刀具寿命和表面质量。 第十一章：难加工材料（高温合金与复合材料）的切削 针对镍基、钛合金等难加工材料，分析了其高热强性和高加工硬化倾向对刀具造成的挑战。提出了针对性策略，例如使用高耐热性和高韧性的陶瓷或硬质合金刀具，以及采用间歇式切削和低进给率的加工策略。在复合材料方面，详细探讨了PCD刀具或金刚石涂层刀具在减少纤维拔出和基体脱落方面的设计要点。 第十二章：刀具寿命管理与智能制造集成 探讨了如何将刀具性能数据和磨损信息集成到制造执行系统（MES）中，实现刀具资源的优化配置。内容包括刀具寿命的动态预测、预防性换刀策略的建立，以及利用物联网（IoT）技术对现场刀具状态进行远程监控和数据分析，以推动制造车间的数字化转型和效率提升。 --- 本书结构严谨，内容深度和广度兼备，既有基于材料科学的微观结构分析，也有面向工程应用的系统优化方法，是从事先进制造工艺、刀具研发和机械工程领域的专业人士及研究生的重要参考资料。

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