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超声振动辅助钻削皮质骨的表面质量研究

机床与液压 2019年第21期47卷 74-77,134页

作者：张怀玉胡亚辉郑清春张春秋夏磊天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

骨手术中较差的表面质量影响骨组织愈合,延缓康复时间。将超声振动与普通钻削相结合有助于改善骨手术中钻孔的表面质量。对新鲜的皮质骨进行超声振动辅助钻削试验,对比普通钻削分析其表面质量;并采用响应面优化法研究振幅、频率、主轴... 详细信息

骨手术中较差的表面质量影响骨组织愈合,延缓康复时间。将超声振动与普通钻削相结合有助于改善骨手术中钻孔的表面质量。对新鲜的皮质骨进行超声振动辅助钻削试验,对比普通钻削分析其表面质量;并采用响应面优化法研究振幅、频率、主轴转速和进给速度等参数对表面粗糙度的影响。结果表明:在加载超声振动条件下可以获得更优的表面质量;同时合理选择振动参数和切削参数能有效改善钻孔表面粗糙度。

关键词：超声振动辅助钻削皮质骨响应面优化法表面质量

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超声振动辅助钻削钛合金加工机理研究

超声振动辅助钻削钛合金加工机理研究

作者：王鹏上海工程技术大学

学位级别：硕士

钛合金因其优异的强度重量比和耐高温腐蚀等性能,在制造业中得到了广泛的应用。然而钛合金因其具有导热系数低、弹性模量小、加工硬化严重等特点使其属于难加工材料,在传统加工过程中会导致刀具过度磨损和高温。超声振动辅助钻削加工是... 详细信息

钛合金因其优异的强度重量比和耐高温腐蚀等性能,在制造业中得到了广泛的应用。然而钛合金因其具有导热系数低、弹性模量小、加工硬化严重等特点使其属于难加工材料,在传统加工过程中会导致刀具过度磨损和高温。超声振动辅助钻削加工是一种非传统的混合加工工艺,钻削难加工材料过程中,可降低切削力及温度,有利于断屑排屑、改善表面加工质量、提高刀具寿命。本文以钛合金Ti6Al4V为对象采用超声振动辅助钻削进行分析,主要包括几个方面的内容:（1）介绍了钻削加工中模拟过程理论与方法研究;阐述了钛合金加工性能,超声振动辅助钻削原理、超声振动辅助钻削的位移切削特性及超声振动辅助钻削的变速切削特性,确立了切削刃、排屑槽及孔壁对切屑作用力的受力数学模型;运用有限元软件DEFORM-3D对传统钻削（CD）和超声振动辅助钻削（UAD）过程进行仿真试验,阐述了金属切削过程有限元仿真基础理论和有限元仿真关键技术。（2）采用三种不同顶角（140°,120°,90°）的钻头分析了Ti6A14V的传统钻削和超声振动辅助钻削中进给量、主轴转速和振动频率对切削力、等效应力、温度和切屑形态的影响,从而优化Ti6A14V的断屑排屑性能。建立三种不同顶角钻头有限元模型（FEM）,在DEFORM-3D软件中使用拉格朗日方法模拟钻削过程。通过试验结果和切削力分析数据对仿真结果进行了验证,误差在3%～7%之间。结果表明,超声振动辅助钻削可以产生分段不连续的切屑,降低切削力,降低工艺温度,降低等效应力。顶角为120°的钻头产生的切屑厚度最薄并且达到了良好的断屑效果,所获得的结果有助于优化钻头几何形状、钻削参数和断屑性能。（3）采用麻花钻头和三刃钻头分析了Ti6A14V的传统钻削和超声振动辅助钻削中进给量、主轴转速对切削力、温度、切屑形态和钻头磨损的影响。建立麻花钻和三刃钻头有限元模型,在DEFORM-3D软件中使用拉格朗日方法模拟钻削过程。仿真结果不仅揭示了随着进给量、主轴转速的增加,切削力、温度、钻头磨损深度、切屑厚度和损伤的明显规律性变化,证实了有限元分析在钻削过程中的能力和优势,而且提供了有关钻削机理更深刻的知识理论,包括超声振动辅助钻削中的三刃钻头对切屑断裂性和刀具磨损的影响。

关键词：超声振动辅助钻削钻头顶角三刃钻头断屑性能

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超声振动辅助钻削皮质骨温度的研究

超声振动辅助钻削皮质骨温度的研究

作者：张旭天津理工大学

学位级别：硕士

骨钻削是外科手术中常用的手术方式,但过高的钻削温度容易引起骨的热坏死,影响手术成功率和骨的术后恢复。为了降低骨钻削时的温度,减少热损伤,需要找到一种新的钻骨方法。超声技术作为一种学科交叉技术,广泛应用于工业、医疗等方面,将... 详细信息

骨钻削是外科手术中常用的手术方式,但过高的钻削温度容易引起骨的热坏死,影响手术成功率和骨的术后恢复。为了降低骨钻削时的温度,减少热损伤,需要找到一种新的钻骨方法。超声技术作为一种学科交叉技术,广泛应用于工业、医疗等方面,将传统的机械加工与超声技术相结合后,在金属的切削方面已经取得了意想不到的效果。本文在皮质骨的钻削中引入了超声技术,研究在超声作用下的皮质骨钻削温度变化。研究的主要方面如下:(1)在传统钻削的基础上,分析了超声振动辅助钻削的加工过程,通过切削热的产生与传散理论,研究了超声振动辅助钻削中钻削温度的产生与变化机理,并分析了切削用量、振动参数和切削液对钻削温度的影响。(2)设计并进行了单因素试验,比较了相同钻削参数下超声振动辅助钻削和传统钻削皮质骨中的钻削温度,分析了主轴转速和进给速度对两种钻削模式中钻削温度的作用效果,并研究了两个振动参数对超声振动辅助钻削皮质骨温度的影响规律。(3)基于UG二次开发功能建立了麻花钻的参数化建模系统,基于逆向工程和CT扫描技术建立了皮质骨的三维模型,利用ABAQUS构建了超声振动辅助钻削皮质骨的仿真模型。(4)设计并进行了基于ABAQUS的仿真试验,对仿真试验数据进行多元线性回归分析,得到了超声振动辅助钻削皮质骨中钻削温度关于钻削参数和振动参数的预测模型,并以降低钻削温度和提高钻削效率为目标,通过粒子群法对各参数进行了优化。

关键词：超声振动辅助钻削皮质骨钻削温度有限元模型参数优化

超声振动辅助钻削P20轴向力与入口边缘质量性能研究

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青岛科技大学学报（自然科学版） 2023年第3期44卷 89-96页

作者：吴志强张卫锋张灿祥青岛科技大学机电工程学院山东青岛266061

针对P20在传统钻削中存在轴向力大和入孔边缘质量差的问题,提出运用超声振动辅助钻削来改善。使用Deform-3D模拟钻削过程,设计对比、单因素以及不同冷却剂仿真实验,研究轴向力的变化,并通过搭建的实验平台,对刀具施加50 kHz超声频,研究... 详细信息

针对P20在传统钻削中存在轴向力大和入孔边缘质量差的问题,提出运用超声振动辅助钻削来改善。使用Deform-3D模拟钻削过程,设计对比、单因素以及不同冷却剂仿真实验,研究轴向力的变化,并通过搭建的实验平台,对刀具施加50 kHz超声频,研究对比传统钻削和超声振动辅助钻削在不同加工参数及冷却剂下轴向力和入孔形貌的变化。研究表明:超声振动辅助钻削可有效减小轴向力、改善入孔边缘质量;随着主轴转速的增加,轴向力减小,入孔边缘质量先变好后变差,随着进给速度的增加,轴向力增大,入孔边缘质量变差;选择油基类型冷却剂可减小轴向力、提高入孔边缘质量。

关键词：超声振动辅助钻削轴向力入孔形貌冷却剂

镍基合金超声振动辅助钻削轴向力与刀具磨损的研究

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镍基合金超声振动辅助钻削轴向力与刀具磨损的研究

作者：吴志强青岛科技大学

学位级别：硕士

镍基合金具有高强度、耐腐蚀、化学性质稳定等优异性能,在工业领域中应用广泛。但其在孔的加工中会出现切削力大、切削温度高以及刀具磨损严重等问题,是典型的难加工材料,而超声振动辅助钻削是解决金属难加工材料钻孔问题一种有效的特... 详细信息

镍基合金具有高强度、耐腐蚀、化学性质稳定等优异性能,在工业领域中应用广泛。但其在孔的加工中会出现切削力大、切削温度高以及刀具磨损严重等问题,是典型的难加工材料,而超声振动辅助钻削是解决金属难加工材料钻孔问题一种有效的特种加工方法。本文对超声振动辅助钻削加工理论进行了研究,并选择Inconel718镍基高温合金,对其进行超声振动辅助钻削加工仿真与实验研究。本文的主要工作如下:（1）对超声振动辅助钻削加工与刀具磨损机理进行了理论研究。阐述了振动钻削的基本理论,研究了超声振动辅助钻削过程中切削刃的位移轨迹以及变速特性,建立了刀具的位移函数、速度函数以及轴向力的数学模型,分析了超声振动辅助钻削时轴向力的变化与钻削温度热传递问题,并通过实验进一步归纳了超声振动辅助钻削时切削热的传热性能及温度变化规律;研究了超声振动辅助钻削过程中刀具的磨损机理,通过实验归纳了超声振动辅助钻削改善刀具磨损的原因。（2）利用有限元仿真软件ABAQUS对超声振动辅助钻削和普通钻削Inconel718镍基高温合金过程进行了仿真研究。进行了对比仿真实验,以钻削轴向力和钻削温度为研究指标,使用50k Hz的高频振动,根据仿真结果得出超声振动辅助钻削加工相比普通钻削降低了35.28%的轴向力,降低了15.99%的钻削温度;对不同主轴转速、振幅及进给速度下的轴向力进行了仿真研究,得出轴向力随着主轴转速的增加而减小,随着振幅的增大而降低,随着进给速度的增加而增大。（3）使用50k Hz的高频振动,对超声振动辅助钻削Inconel 718镍基高温合金过程中的轴向力进行了研究,并与仿真进行验证。进行了对比实验,得出使用50k Hz频率的超声振动辅助钻削相比普通钻削可降低26.19%的轴向力;对不同主轴转速、振幅及进给速度下的轴向力进行了实验研究,得出轴向力随主轴转速的增加而下降,随着进给速度的增加而上升,随着振幅的增大而降低;进行了正交实验,得出对轴向力的影响程度依次为:进给速度,振幅,主轴转速。（4）对超声振动辅助钻削与普通钻削Inconel 718镍基高温合金过程中刀具磨损情况进行了对比研究。使用50k Hz的高频振动,以钻孔数为变量,通过刀具微观形貌、轴向力、钻削温度、孔壁表面粗糙度四个方面来研究刀具磨损情况;根据刀具微观形貌图片显示使用超声振动辅助钻削可改善刀具切削刃和切削面的磨损情况;随着钻孔次数的增加,超声振动辅助钻削减缓了轴向力的上升速度,减少了17.95%钻削温度,降低了17.63%的表面粗糙度。从这四个方面的结论可表明超声振动辅助钻削能够有效降低刀具磨损量,提高刀具寿命。

关键词：超声振动辅助钻削 Inconel718镍基高温合金有限元仿真钻削轴向力刀具磨损

碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削技术研究

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碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削技术研究

作者：马文瑞南京理工大学

学位级别：硕士

随着我国航空工业的迅猛发展,碳纤维复合材料因其优越的材料性能在该领域的应用越来越广泛。然而碳纤维复合材料的层间强度低、导热性能差,传统的加工工艺难以实现碳纤维复合材料高效高质量的加工,特别是当碳纤维复合材料和金属材料形... 详细信息

随着我国航空工业的迅猛发展,碳纤维复合材料因其优越的材料性能在该领域的应用越来越广泛。然而碳纤维复合材料的层间强度低、导热性能差,传统的加工工艺难以实现碳纤维复合材料高效高质量的加工,特别是当碳纤维复合材料和金属材料形成叠层构件时加工质量更加难以保障。为此,本文采用超声振动辅助钻削技术来实现其高效高质量加工,并通过对超声振动辅助钻削力、钻削温度及钻削质量进行了系统性的分析,开展了将超声振动辅助钻削技术应用于碳纤维复合材料/铝合金叠层构件钻削领域可行性研究。本文的主要研究内容如下:(1)开展了碳纤维复合材料超声振动辅助钻削力研究。针对超声振动辅助钻削的特点,对钻头的运动学进行了研究,分析了钻头切削刃的运动轨迹,并得到了钻头的动态钻削厚度和平均钻削厚度,同时结合直角切削模型和Hertz接触理论,建立了一种超声振动辅助钻削碳纤维复合材料的钻削力模型。另外开展了超声振动辅助钻削碳纤维复合材料钻削力实验,实验结果和理论值具有相同的变化趋势,验证了模型的合理性和有效型。(2)开展了碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削温度研究。通过对钻削温度理论和钻削过程的研究,研究了钻削过程中热源的产生机理,分析热传递的基本形式。另外设计和开展了钻削温度测量实验,分析了叠层材料在加工过程的相互影响和各参数对钻削温度的影响规律。实验结果表明:超声振动辅助钻削使得叠层材料的钻削温度有所提升,但是增加的幅度较小,不足以引起碳纤维复合材料的热损伤。(3)开展了碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削质量研究。分析了超声振动作用对切屑形貌和碳纤维复合材料分层的影响。设计了正交实验方法,研究了振动参数及钻削参数对孔壁粗糙度、孔的出入口毛刺的影响,并通过极差分析研究了各因素的显著性。实验结果表明:超声振动辅助钻削可以实现铝板较好的断屑效果,避免连续型切屑的产生,改善碳纤维复合材料和铝板孔壁的粗糙度,降低孔出入口毛刺的尺寸。

关键词：碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削钻削力钻削温度钻削质量

碳纤维增强复合材料的超声振动辅助钻削实验研究

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碳纤维增强复合材料的超声振动辅助钻削实验研究

作者：吴小飞西安工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料（CFRP）因其优越的材料性能在诸多领域有着广泛的应用。而CFRP具有层间强度低、导热性差等特点,在常规钻削中会因钻削轴向力大、钻削温度过高导致钻孔质量差,难以实现高效高质量钻孔。本文以CFRP为对象,对超声振动... 详细信息

碳纤维增强复合材料（CFRP）因其优越的材料性能在诸多领域有着广泛的应用。而CFRP具有层间强度低、导热性差等特点,在常规钻削中会因钻削轴向力大、钻削温度过高导致钻孔质量差,难以实现高效高质量钻孔。本文以CFRP为对象,对超声振动辅助钻削机理进行研究分析,开展CFRP的超声振动辅助钻削实验研究,主要内容如下:（1）CFRP的超声振动辅助钻削机理分析。阐述了超声振动辅助钻削运动学规律、变角特性及振动冲击特性,分析了钻削参数对运动学特性的影响。对钻削轴向力、钻削热、出口撕裂、孔壁表面粗糙度的产生进行分析,建立了钻削轴向力模型和传热模型,分析了超声振动和钻削参数对钻削轴向力、钻削热、出口撕裂、孔壁表面粗糙度的影响。（2）CFRP的超声振动辅助钻削轴向力实验研究。搭建实验平台,使用硬质合金钻头进行CFRP的超声振动辅助钻削实验,设计单因素和正交实验,对常规钻削和超声振动辅助钻削两种方式下轴向力的变化进行分析,研究了钻削参数对轴向力的影响,得到以轴向力最小为目标的最优钻削参数,建立并验证轴向力预测模型。（3）CFRP的超声振动辅助钻削温度实验研究。设计钻削温度实验,使用红外热像仪和热电偶对钻削过程中的温度进行测量。对比分析不同加工方式下钻削温度的变化及沿不同纤维方向的温度传递情况。研究了钻削参数对钻削温度的影响,得到以钻削温度最低为目标的最优钻削参数,建立并验证钻削温度预测模型。（4）CFRP的超声振动辅助钻削钻孔质量研究。以孔壁表面粗糙度和出口撕裂为对象,对其进行测量与表征。根据实验结果研究了钻削参数对钻孔质量的影响。分别得到以孔壁表面粗糙度、出口撕裂因子最小为目标下的最优参数组合,建立并验证钻孔质量预测模型。最后探究了轴向力、钻削温度与钻孔质量之间的关系。本文的研究内容对CFRP的超声振动辅助钻削机理研究具有参考意义,对促进CFRP的超声振动辅助钻孔加工以及实现CFRP的高效高质量钻孔具有一定的应用价值。

关键词：超声振动辅助钻削 CFRP 轴向力钻削温度钻孔质量

304不锈钢超声振动辅助钻削技术与实验研究

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304不锈钢超声振动辅助钻削技术与实验研究

作者：李珂东北大学

学位级别：硕士

近年来随着科技的不断进步,工业生产也逐渐向着精密化、自动化和智能化的方向发展,因此对零部件的加工精度的要求也越来越高。因为304不锈钢材料具有切削力大、切削变形大、刀具易磨损等切削特点,所以传统的钻削加工已经不能满足实际加... 详细信息

近年来随着科技的不断进步,工业生产也逐渐向着精密化、自动化和智能化的方向发展,因此对零部件的加工精度的要求也越来越高。因为304不锈钢材料具有切削力大、切削变形大、刀具易磨损等切削特点,所以传统的钻削加工已经不能满足实际加工的需求。由于超声振动辅助钻削具有断续切削等特点,使得超声振动辅助钻削能够产生普通钻削难以比拟的加工工艺效果。本文针对304不锈钢材料对超声振动辅助钻削技术进行研究,研究内容主要包括理论分析、仿真分析和实验分析三个方面。论文的主要内容如下:（1）查阅相关文献,综述研究背景、研究意义及超声振动辅助钻削技术的国内外研究现状,确定本文的主要研究内容。（2）对超声振动辅助钻削的加工特性进行分析研究,确定超声振动辅助钻削加工时主切削刃上距钻头轴线最远的一点的运动轨迹,明确超声振动辅助钻削技术的变厚切削与断续切削的限制条件。（3）对超声振动钻削的轴向力进行理论分析。首先对超声振动钻削的轴向力进行建模,并将直径为5mm的麻花钻和304不锈钢材料的相关参数代入计算;然后为了判断超声振动钻削对于轴向力的影响,又对普通钻削的轴向力进行建模与计算;最后进行分析对比,确定超声振动钻削对于轴向力的影响。（4）利用有限元软件分别对普通钻削和超声振动钻削进行仿真分析。通过对相同加工参数的普通钻削和超声振动钻削的仿真结果进行分析对比,验证超声振动钻削加工对于轴向力的影响,并确定超声振动钻削加工对于毛刺的影响。（5）进行超声振动钻削单因素实验,研究主轴转速、进给量和超声振幅这三个因素分别对普通钻削和超声振动钻削的影响。然后进行超声振动钻削正交实验,确定钻削加工过程中轴向力最小的加工参数的最优水平组合。

关键词：超声振动辅助钻削普通钻削轴向力毛刺

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4J29可伐合金超声振动辅助钻削试验研究

航空制造技术 2019年第16期62卷 94-101页

作者：刘春青康仁科李志远董志刚邹明虎王文汉杨强强航空工业西安飞行自动控制研究所西安710065 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024 中国人民解放军65183部队辽阳111200

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁... 详细信息

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁粗糙度进行了测量。试验发现:4J29可伐合金在不同加工参数下(切削速度v=0.314~0.942m/s,进给速度f=10~30mm/min),超声振动辅助钻削可降低钻削轴向力,轴向力平均降低35.37N,降幅为18.45%;超声振动辅助钻削可提高制孔精度,孔径误差平均减小17.9μm,降幅为31.5%;超声振动辅助钻削可提高表面质量,对于轮廓算术平均偏差Ra,超声振动辅助钻削使其平均降低了0.4862μm,降幅为28.4%,微观不平度十点高度Rz平均降低了2.4940μm,降幅为20.0%。试验表明超声振动钻削4J29可伐合金比传统钻削加工更具优势,可获得质量更高的加工孔。

关键词： 4J29合金超声振动辅助钻削轴向力孔质量孔径误差粗糙度