激光加热辅助铣削高温合金温度控制及工艺参数优化研究

摘要

镍基高温合金GH4698在500℃~800℃范围内具有较好的高温强度、断裂韧性、抗氧化、抗热腐蚀等综合性能，该合金广泛用于制造航空发动机的涡轮盘、压气机盘、导流片等重要零件。然而，镍基高温合金 GH4698的导热系数小、摩擦系数大，加工时刀具磨损严重，切削力大，加工效率低。激光加热辅助切削(LAM)技术是解决难加工材料的一种有效方法，LAM技术是在工件材料被切除前，利用高能量的激光加热工件，使工件局部温度升高。材料的切削性能在高温下发生变化，可以减小刀具磨损，获得高质量的加工表面和增加材料去除率。本文采用LAM技术对镍基高温合金的铣削过程进行仿真与试验研究。论文的主要研究工作包括以下四个方面：
　　根据传热学的相关理论，研究激光加热工件后材料的热传导和热辐射等问题，然后建立温度场数学预测模型，准确地计算和预测工件的温度场分布。
　　根据激光加热区域温度场数学模型建立激光加热辅助铣削 GH4698的有限元模型，然后对温度场进行了仿真和实验，并用红外测温仪测量实际铣削过程中工件温度，将试验结果与仿真结果进行分析，验证仿真模型的正确性。然后根据监测点温度与切削区域温度之间的差值来计算不同加工参数下的切削区域的温度场的分布。
　　通过激光加热辅助铣削实验，研究微观组织形貌、表面粗糙度、刀具磨损和切削力的变化规律，得到工艺参数对加工性能和刀具磨损的影响规律。
　　建立以铣削参数和激光参数为优化变量、以最小加工成本和最大效率为目标的多目标优化模型。利用遗传算法优化模型，得到加工成本最小和功率最大时的铣削参数和激光参数。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 激光加热辅助铣削技术研究

1.3 本文的主要研究内容

第2章 切削区域温度场有限元模型

2.1 激光加热辅助铣削温度场的有限元模型

2.2 模型的边界条件

2.3 切削热对温度场的影响分析

2.4 利用有限元的方法计算温度

2.5 本章小结

第3章 激光加热辅助铣削温度场仿真与控制

3.1 吸收率的标定

3.2 温度场仿真预测及实验

3.3 预热时间对温度场的影响

3.4 高温合金的适宜切削温度

3.5 切削区域的温度的控制

3.6 本章小结

第4章 激光加热辅助铣削实验研究

4.1 激光加热辅助铣削GH4698实验

4.2 切削参数对铣削力的影响规律

4.3 铣削加工表面粗糙度

4.4 铣削前后能谱分析和表面质量对比

4.5 切屑形态对比

4.6 刀具磨损

4.7 本章小结

第5章 激光加热辅助铣削工艺参数优化

5.1 最低加工成本目标函数

5.2 最大生产效率目标函数

5.3 设计目标变量

5.4 多目标优化函数

5.5 边界约束条件

5.6 遗传算法优化函数的特点

5.7 工艺参数优化的结果

5.8 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢