检索结果-内蒙古大学图书馆

中国科技成果 2022年第14期23卷 22-25页

作者：郝兆朋张涵范依航长春工业大学机电工程学院吉林长春130012

镍基高温合金具有优良的物理与机械性能,是一种在航空航天领域广泛应用的难加工材料,常用作航空航天发动机与燃气轮机的轮盘、叶片等耐热类零部件,具有型面复杂、材料去除率大等特点。航空发动机和燃气轮机“两机”重大专项的实施,对镍... 详细信息

镍基高温合金具有优良的物理与机械性能,是一种在航空航天领域广泛应用的难加工材料,常用作航空航天发动机与燃气轮机的轮盘、叶片等耐热类零部件,具有型面复杂、材料去除率大等特点。航空发动机和燃气轮机“两机”重大专项的实施,对镍基高温合金相关零部件产品的需求量日益增大。镍基高温合金材料导热性差、加工硬化严重且存在磨蚀性碳化物颗粒,导致其切削加工性差、加工表面完整性难于保障,是典型的难加工材料。在各级课题支持下,开展了切削区材料动态行为与变形机理、刀具磨损、绿色冷却润滑技术与工艺应用等方面研究,并取得一定的有价值的创新性成果,对关键技术有所突破。研究成果聚焦于切削过程中材料损伤与去除的潮源研究,必将丰富难加工材料的切削加工理论,益于突破镍基高温合金切削过程中刀具磨损严重、表面质量差等关键技术。

关键词：切削变形机理冷却润滑刀具磨损机理工艺参数优化

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牛股骨皮质层材料犁削机理与建模研究

牛股骨皮质层材料犁削机理与建模研究

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作者：王阳杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在骨外科手术中,骨骼重构与恢复的质量影响着骨骼的功能能否恢复如常。通过在生物皮质骨表层制备能够激发特定和期望生物反应的拓扑微结构,可以激发并促进所需的特定细胞组织反应,加速骨组织的恢复。通过金刚石刀具在皮质骨表面犁削加... 详细信息

在骨外科手术中,骨骼重构与恢复的质量影响着骨骼的功能能否恢复如常。通过在生物皮质骨表层制备能够激发特定和期望生物反应的拓扑微结构,可以激发并促进所需的特定细胞组织反应,加速骨组织的恢复。通过金刚石刀具在皮质骨表面犁削加工微结构具有极高的效率和精度。然而,在皮质骨表面构建微织构的犁削加工是一种减材加工式的制备方法,需要重构皮质骨材料的表面形貌,再利用其再生长功能来达到引导修复的目的。在皮质骨犁削过程中过高的犁削力及异常的犁削状态会加剧皮质骨损伤裂纹的扩展,以至于对骨组织及其周围细胞环境产生不必要的伤害,制约术后的康复。在结构方面,皮质骨与纤维增强复合材料相似,表现出明显的各向异性,并且具有一定的半脆性。在切削过程中易产生裂纹并扩展至其内部。因此,对皮质骨材料犁削加工机理进行研究并对其犁削力进行预测与模拟仿真,保证在犁削过程中皮质骨材料可以保持组织活性与结构完整性,对皮质骨材料加工的发展以及骨科术后的组织恢复具有不可忽视的价值。针对上述问题,本文进行了以下研究:首先综合考虑皮质骨犁削过程中的切削角度、材料的变形模式以及切削厚度等因素,建立了皮质骨材料犁削过程中轴向力与切向力的各向异性模型;其次,基于皮质骨的纤维增强复合材料特性,对其犁削过程以及单刃切削过程进行了有限元模拟仿真;最后,通过搭建单点金刚石犁削皮质骨实验系统并利用该系统开展了不同切削因素下的皮质骨犁削实验,结合皮质骨的裂纹断裂形态以及犁沟形貌,验证了所提出的犁削力模型以及有限元仿真模型的可行性。

关键词：皮质骨犁削各向异性切削变形机理有限元仿真

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骨材料切削加工及一种新型刀具研究

骨材料切削加工及一种新型刀具研究

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作者：廖志荣哈尔滨工业大学

学位级别：博士

随着电气化技术及机器人技术的突飞猛进,近年来越来越多的自动化手术系统及医疗手术机器人开始在临床上应用。而骨切削手术作为外科手术中的一项重要操作,得益于电气化和自动化技术的发展,其切削方法也越来越多样化,例如钻削、磨削、铣... 详细信息

随着电气化技术及机器人技术的突飞猛进,近年来越来越多的自动化手术系统及医疗手术机器人开始在临床上应用。而骨切削手术作为外科手术中的一项重要操作,得益于电气化和自动化技术的发展,其切削方法也越来越多样化,例如钻削、磨削、铣削等传统的机械加工方法在骨外科手术中也得到广泛应用。然而,骨头材料的切削本质上是一种破坏式去材加工,需要破坏骨组织的原貌而利用其再生长功能来达到医学目的。其切削过程中过高的切削力、切削温度及异常的切削状态会造成骨组织及其周围组织的严重损伤并制约病人术后的康复。此外,骨头材料作为一种各向异性材料,其密质骨层结构类似纤维增强复合材料结构,且呈现出一定脆性,在切削过程中易产生裂纹并扩展至骨结构内部。因此,研究骨头材料切削的相关机理及切削手段,在切削过程中保持骨材料组织结构的完整性,对骨科手术技术发展及相关设备的开发具有重要意义。本文围绕骨头材料的切削加工技术,先从其切削机理入手,通过观察密质骨正交切削过程中切屑形成的物理过程,提出骨材料正交切削包括剪切变形切削、剪切裂纹切削和断裂切削的三种切削模式。通过采用断裂力学对其切削变形进行建模,并结合骨材料各向异性特性对骨材料切削过程不同切屑形态的去除机理提出了统一解释。基于该模型对骨材料切削过程切屑形态进行了预测,得到不同切削模式间转变的临界切削厚度,并通过实验观察其切削力及切削表面微观形貌分析了不同切削模式下骨材料的切削加工性能及对骨材料的表面破坏。根据骨材料密质骨层的纤维增强复合结构特性,建立了与骨单位纤维方向相关的切削剪切强度各向异性模型。在该材料模型的基础上,结合骨材料切削过程中的纤维切削角度、材料切削变形模式、犁沟效应等相关效应建立骨材料动态铣削力模型。通过骨材料铣削实验证明该模型可以准确预测骨材料铣削过程动态切削力,为骨材料铣削过程切削参数的选择提供了指导意义。在骨材料切削区域优化布置热电偶以测量真实的切削温度,观察骨材料铣削过程中温度分布及随切削参数的变化。分析了骨材料铣削温度的分布特性,结合切削理论建立骨材料铣削过程的温度场分布解析模型,并通过实验验证了模型的有效性。通过对骨材料铣削温度场分布和切削温度穿透深度分析骨材料铣削过程中对骨材料产生热效应的主要影响因素。针对骨材料切削过程中易发生断裂切削及过高切削力和温度的情况,根据骨材料切削机理设计一种断裂-剪切复合铣削刀具以实现骨材料的高效低温切削。通过特殊的螺旋面结构设计使得刀具在较小进给速度时可以工作在剪切变形或剪切裂纹切削模式,而在较大进给速度时工作在断裂-剪切复合切削模式,从而达到减小骨材料切削表面损伤的目的。采用PCD聚晶金刚石作为刀具材料制造刀具,并通过与相同尺寸的普通铣削刀具进行骨材料切削加工试验对比,实验证明该刀具可以在相同切削参数下改善骨材料切削表面质量,降低切削力和切削温度,从而有效提高切削效率,缩短手术切削时间。针对骨材料切削过程伴随剪切裂纹及断裂变形的特点,研究了声发射信号对骨材料切削过程状态监测的有效性。采用小波包分解提取了声发射信号的小波能比特征实现骨材料切削层深度的监测。建立了小波系数时域轴及频域轴的多尺度混合隐马尔科夫模型的监测策略,对骨材料切削过程的刀具磨损状态进行监测。通过实验分析证明声发射信号可以有效表征骨材料切削过程的切削层深度及刀具磨损的状态特征。

关键词：骨材料切削切削变形机理刀具开发切削力切削温度切削过程监测

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切削GH4169的相关机理及高效切削技术的基础研究

切削GH4169的相关机理及高效切削技术的基础研究

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作者：郝兆朋哈尔滨工业大学

学位级别：博士

镍基高温合金GH4169因具有优良的热强性能、热稳定性能和热疲劳性能，常用于制造航空发动机与燃气轮机的轮盘、叶片等耐热零部件。随着国内电力行业的蓬勃发展，大型电站的相继建立，汽轮机需求不断增加。但由于GH4169切削加工性很差，... 详细信息

镍基高温合金GH4169因具有优良的热强性能、热稳定性能和热疲劳性能，常用于制造航空发动机与燃气轮机的轮盘、叶片等耐热零部件。随着国内电力行业的蓬勃发展，大型电站的相继建立，汽轮机需求不断增加。但由于GH4169切削加工性很差，主要表现为切屑的形成、切削力、切削温度、刀具磨损与破损等都呈现特有的规律，切削加工效率低，严重制约其广泛应用，GH4169的高效切削是制造业急需解决的问题。因此，研究切削GH4169的相关机理及高效切削技术具有重要的理论意义和广阔的应用价值。通过提取切屑根深入研究锯齿形切屑形成的物理过程，结合积屑瘤对切屑形成的影响，揭示GH4169的切削变形机理，提出锯齿屑形成的过程包括初级、过渡和最后三个阶段，在切削程中，剪切角不断减小、剪切面转变为“剪切体”，断裂和绝热剪切共同作用而产生锯齿形切屑。并基于锯齿屑的几何特征建立剪切带变形的计算模型；最后研究了切削参数对锯齿形切屑几何特征的影响规律。从涂层材料、切削力、切削温度、刀具几何角度及刀具使用寿命等方面，通过切削试验和仿真分析优选适用高效切削GH4169的刀片涂层材料和合理刀具前角。通过对刀具磨损形态及其特征的观测，分析刀具材料从刀具基体脱落的物理过程，揭示切削GH4169刀具磨损机理。PVD涂层硬质合金刀具在低速时易形成积屑瘤，造成崩刃；当切削速度提高时，刀具基体形成片层状磨损碎片的脱落，是造成刀具磨损的主要形式；刀-屑/工件间的扩散与氧化，增加了磨损碎片形成的密度，加速了刀具磨损。最后依据切削原理和摩擦磨损学给出了刀具磨损的物理过程模型。在刀具磨损机理研究基础上，考虑粘结、扩散和氧化磨损均是滑动磨损的特征，应用滑动磨损的剥层理论，以分析靠近表面的金属材料的塑性变形和断裂行为为基础，并结合刀具材料在切削过程中的力学性能变化，建立并验证硬质合金刀具切削GH4169的后刀面磨损模型。针对每一对刀具-工件组合在切削加工过程中存在最佳的切削温度，使得刀具-工件具有最大的强度比，根据所建刀具磨损模型，对最佳切削温度进行求解，以保证刀具达到磨钝标准时，切削长度最长；并通过切削试验验证所求最佳切削温度的正确性；基于最小二乘法建立使切削过程在最佳切削温度下进行的切削参数经验模型，提出一种恒温切削的方法，为切削用量的合理选择提供一种有效而快速的手段；最后采用表面粗糙度评价恒温切削技术的可行性，结果表明，恒温切削技术有助于合理选择切削用量，减小表面粗糙度值，提高切削加工效率，符合高效切削技术的发展趋势。

关键词：镍基高温合金GH4169 切削变形机理锯齿形切屑刀具磨损机理恒温切削

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