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超声微磨削生物骨非均匀热源温度场模型与实验验证

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机械工程学报 2024年

作者：孙金刚杨敏杨玉莹张彦彬 YSDAMBATTA 周宗明李长河青岛理工大学机械与汽车工程学院齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学部艾哈迈杜.贝洛大学机械工程系汉能(青岛)润滑科技有限公司

骨微磨削是神经外科、脊柱外科等高风险手术中不可或缺的方法，骨磨削去除过程热损伤是其技术瓶颈。针对以上临床需求和技术瓶颈，提出了一种超声振动辅助微磨削生物骨新工艺，但超声作用下的非均匀热源分布模型尚不明确，超声赋能作用下的生物骨热传递机制与温度场模型尚需建立。首先，研究了超声振动辅助微磨削生物骨材料去除机理，重构了球形磨头表面几何形貌，揭示了接触弧长变化机理，建立了超声振动作用下任意时间点的未变形切屑厚度模型。其次，建立了延性域去除，骨粉去除，脆性域去除阶段磨削力模型，揭示了有效磨削区的力学演变规律。进一步，研究了磨削热通量的周向和径向分布规律，建立了三维非均匀热源分布模型；研究了点热源和线热源以及面热源温度场，建立了超声振动辅助微磨削生物骨的三维非均匀热源温度场模型。最后，进行了磨削温度场的正交实验验证，结果表明，当振幅为6 μm，磨削深度为15 μm，磨头半径为3.5 mm，进给速度为3 mm/s时，与基于均匀热源模型的温度场相比，基于非均匀热源模型的温度场预测结果与实际温度场吻合，最高温度预测平均误差从10.8%降低到6.7%。研究为超声振动辅助微磨削生物骨降低磨削温度提供了理论依据与技术支持。

关键词：超声振动微磨削非均匀热源分布模型温度场

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基于声发射监测的微磨削特征信号感知测量

机械管理开发 2024年第9期39卷 44-45,48页

作者：王岩开封技师学院智能制造学院河南开封475000

高端材料在精密工业领域得到广泛应用,其表面加工质量检测是关键问题之一。为了进一步提高表面质量评估能力,设计了一种基于声发射监测的工业高端材料微磨削特征信号感知方法,探讨了声发射信号时域均方根谱与频带信号能量的关系。研究... 详细信息

高端材料在精密工业领域得到广泛应用,其表面加工质量检测是关键问题之一。为了进一步提高表面质量评估能力,设计了一种基于声发射监测的工业高端材料微磨削特征信号感知方法,探讨了声发射信号时域均方根谱与频带信号能量的关系。研究结果表明:磨粒与抛光材料的表面存在明显摩擦效应,抛光材料在较低频率范围内具有一定的摩擦效应。当微裂纹的崩边宽度由48.125μm减小到36.1231μm时,其高频区能量占比由19.13%下降到18.1%。声发射信号的取样间隔与破裂边缘的宽度有一定偏差,两者相关性只有0.452。在早期磨损阶段存在较大振动作用,进入较低频段后则获得了较大能量。该研究有助于提高精密工业加工效率,具有很好的指导意义。

关键词：微磨削非稳态特征声发射时频域特征信号感知

微磨削与超声振动复合加工技术研究现状与展望#

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振动与冲击 2016年第8期35卷 97-109页

作者：张建华田富强张明路赵岩河北工业大学机械工程学院天津300130

微细切削技术是传统加工工艺向微观尺度的延伸,在微加工领域具有重要的作用,尤其适用于三维零件及微结构的加工。与其他微细切削技术相比,微细磨削技术具有加工零件棱边精度高、适于硬脆性材料加工等优势,但其存在加工效率低、磨削热量... 详细信息

微细切削技术是传统加工工艺向微观尺度的延伸,在微加工领域具有重要的作用,尤其适用于三维零件及微结构的加工。与其他微细切削技术相比,微细磨削技术具有加工零件棱边精度高、适于硬脆性材料加工等优势,但其存在加工效率低、磨削热量大、微砂轮易磨损等缺陷。已有研究表明,于机械加工辅加超声振动的复合加工技术可有效降低切削力、切削温度,增大脆性材料脆-塑转变临界切削深度,改善加工表面质量等。因而超声振动辅助微磨削技术被认为是一种可有效解决微磨削加工现存缺陷的技术。主要从微磨削技术研究现状、尺寸效应机理研究、脆性材料塑性域去除机理研究、超声振动切削实验研究、超声振动切削断续切削机理研究及微磨削动态有效磨刃密度建模研究六个方面,对微磨削技术及超声振动辅助切削技术相关领域研究进行综述,并探讨超声振动辅助微细磨削技术加工机理研究及未来发展需注重解决的问题。

关键词：微磨削超声振动塑性域去除尺寸效应断续切削有效磨刃密度

硬脆材料微磨削延性域复合临界条件建模及试验研究

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机械工程学报 2013年第23期49卷 191-198页

作者：程军巩亚东阎旭强郑伟生东北大学机械工程与自动化学院沈阳110004

分析硬脆材料微磨削表面形成机理并建立了微磨削槽磨未变形切屑厚度hm数学模型,引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1,针对硬脆材料特性提出微磨削延性域,延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙... 详细信息

分析硬脆材料微磨削表面形成机理并建立了微磨削槽磨未变形切屑厚度hm数学模型,引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1,针对硬脆材料特性提出微磨削延性域,延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙玻璃与单晶硅这两种典型材料的微尺度槽磨磨削试验,通过对试验结果分析得出两种材料微磨削表面裂纹变化规律。基于实际试验数据结果对提出的硬脆材料微磨削复合临界条件模型进行验证,证明了所提出模型的科学性。分别给出钠钙玻璃与单晶硅的延性域与延-脆性域微磨削加工参数a0与a1,为硬脆材料微磨削延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。

关键词：微磨削硬脆材料延性域复合临界条件

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塑性材料微磨削表面质量影响因素试验研究

东北大学学报（自然科学版） 2015年第2期36卷 263-268页

作者：巩亚东吴艾奎程军张毕东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

针对TC4钛合金和H62黄铜两种典型塑性材料进行了微尺度磨削试验研究,利用超景深显微镜与三维轮廓仪对微磨削加工表面的微观形貌进行了分析,从理论上介绍了微磨削表面形成机理以及最小切屑厚度效应.根据微磨削加工的特点,选用不同的加工... 详细信息

针对TC4钛合金和H62黄铜两种典型塑性材料进行了微尺度磨削试验研究,利用超景深显微镜与三维轮廓仪对微磨削加工表面的微观形貌进行了分析,从理论上介绍了微磨削表面形成机理以及最小切屑厚度效应.根据微磨削加工的特点,选用不同的加工参数进行单因素试验和正交试验,主要探讨了微尺度磨削速度、磨削深度及进给速度对塑性材料微磨削表面质量的影响;对比分析不同磨棒头直径、不同粒度的微磨棒以及不同磨削方式对试件加工表面质量的影响.研究表明,微磨削中工件表面粗糙度随磨削深度的增加有先减小后增大的趋势,侧磨的加工质量比槽磨的质量好.

关键词：微磨削微磨削加工机理微磨具表面粗糙度表面形貌

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硬脆材料微磨削表面形成机理试验研究

机械工程学报 2012年第21期48卷 190-198页

作者：程军巩亚东武治政王超曹振轩刘月明东北大学机械工程与自动化学院沈阳110004

微磨削作为微尺度硬脆材料元器件的一种重要加工方法越来越受到重视,分析硬脆材料微磨削材料去除机理、提出其应为脆性去除与延性去除的综合作用,并就硬脆材料微磨削中材料去除过程与传统磨削方式的不同建立微磨削表面形成模型。为揭示... 详细信息

微磨削作为微尺度硬脆材料元器件的一种重要加工方法越来越受到重视,分析硬脆材料微磨削材料去除机理、提出其应为脆性去除与延性去除的综合作用,并就硬脆材料微磨削中材料去除过程与传统磨削方式的不同建立微磨削表面形成模型。为揭示硬脆材料微磨削过程的表面形成机理,验证所提出的微磨削未变形切屑厚度hm与微磨削表面粗糙度Ra计算模型的科学性和准确性,针对钠钙玻璃这一典型硬脆材料设计了正交微磨削试验,就试验结果进行硬脆材料微磨削表面形貌分析,讨论硬脆材料微磨削表面影响因素以及影响规律。基于试验数据结果对所建立微磨削模型的科学性进行了验证,并通过试验获得了微磨削后表面粗糙度Ra从78 nm至0.98μm的一系列表面,为硬脆材料微磨削表面形成机理研究提供了理论参考与试验依据。

关键词：微磨削未变形切屑厚度表面形成模型形貌分析

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微磨削斜面光纤透镜平面度试验研究

应用光学 2017年第1期38卷 94-98页

作者：刘新伟吕玉山殷际东李伟凡李雨菲赵国伟沈阳理工大学机械工程学院沈阳110159

为了研究微磨削参数对斜面光纤透镜平面度的影响,减小微磨削方法加工斜面光纤透镜的平面度误差,采用正交试验法对直径Ф125μm单模光纤的30°斜面光纤透镜的微磨削进行了试验。结合微磨削的磨削力模型和材料力学弹性梁变形理论,分析微... 详细信息

为了研究微磨削参数对斜面光纤透镜平面度的影响,减小微磨削方法加工斜面光纤透镜的平面度误差,采用正交试验法对直径Ф125μm单模光纤的30°斜面光纤透镜的微磨削进行了试验。结合微磨削的磨削力模型和材料力学弹性梁变形理论,分析微磨削过程中随着磨削用量的变化所导致的光纤透镜被磨削斜面的平面度的变化规律。理论分析和实验结果表明:光纤悬伸长度对斜面光纤透镜平面度的影响最大,增大光纤悬伸长度将导致较大的斜面光纤透镜平面度的轮廓误差,恰当的磨削用量组合能够获得较小的平面轮廓误差。通过试验磨削出了平面度误差为3μm的30°斜面光纤透镜。

关键词：光纤透镜微磨削微磨削力平面度

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钠钙玻璃微磨削表面粗糙度与表面形貌

东北大学学报（自然科学版） 2014年第5期35卷 743-746页

作者：温雪龙王超巩亚东程军东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳1100819

针对钠钙玻璃材料进行了一系列的微磨削实验研究,主要探讨了不同磨削因素对工件加工表面粗糙度和三维表面形貌的影响.根据微磨削加工的特点,在不同的加工条件下,分别用200#和500#两种磨粒微磨棒对钠钙玻璃材料进行三因素五水平正交试验... 详细信息

针对钠钙玻璃材料进行了一系列的微磨削实验研究,主要探讨了不同磨削因素对工件加工表面粗糙度和三维表面形貌的影响.根据微磨削加工的特点,在不同的加工条件下,分别用200#和500#两种磨粒微磨棒对钠钙玻璃材料进行三因素五水平正交试验.通过分析加工后表面粗糙度和表面形貌的变化规律,找出影响加工质量的主要因素.研究结果表明:主轴转速与进给速度是影响表面粗糙度和三维表面形貌的主要因素,磨削深度对其影响不大,为今后提高微磨削加工的表面质量以及微磨削领域的深入研究提供了参考.

关键词：微磨削钠钙玻璃表面粗糙度三维表面形貌

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高温合金K445微磨削表面质量实验研究

东北大学学报（自然科学版） 2016年第2期37卷 218-221,242页

作者：周云光巩亚东温雪龙朱宗孝东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

为探究镍基高温合金的微尺度磨削表面质量,首先采用0.9 mm磨头直径、500#磨粒的微磨棒对典型镍基高温合金材料K445进行微尺度磨削三因素五水平正交试验.通过极差分析找出影响微磨削表面质量的主次因素:进给速度的影响最大、主轴转速次... 详细信息

为探究镍基高温合金的微尺度磨削表面质量,首先采用0.9 mm磨头直径、500#磨粒的微磨棒对典型镍基高温合金材料K445进行微尺度磨削三因素五水平正交试验.通过极差分析找出影响微磨削表面质量的主次因素:进给速度的影响最大、主轴转速次之、磨削深度的影响最小;优化出了微磨削K445的理想工艺组合,即进给速度fm=20μm/s、磨削深度ap=6μm、主轴转速vg=58 kr/min时,加工表面粗糙度最小,Ra为462 nm.其次通过单因素实验总结出了进给速度、磨削深度、主轴转速及微磨棒悬伸量对K445磨削表面质量的影响规律,并对其原因进行了深入分析,使之为镍基高温合金微小零件的加工提供重要的理论依据.

关键词：微磨削镍基高温合金磨削参量表面粗糙度 K445