医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺与钻削性能研究
发布时间：2020-08-03 12:44
【摘要】：医用微型钻头作为外科手术中最重要的医疗器械之一,对手术质量起着至关重要的作用。而现有的医用微型钻头制备技术普遍存在制备工艺复杂、加工难度大、生产成本高等问题。激光增材制造技术具有材料利用率高、流程短、自由成型制造和制造过程迅速等特点,可以有效地弥补现有医用微型钻头制备技术的不足。因此,本文研究了医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺、磨削工艺和钻削性能。仿真研究了微型器件的选区激光熔化成形温度场,分析了激光功率和扫描速一度对温度场的影响规律。结果表明,粉末层最高温度、熔池最大半宽度和深度随着扫描速度的增加而减小,随着激光功率的增加而增大,实现了对特定熔池尺寸下的合理工艺参数范围的选择。研究了医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺和精密磨削工艺。采用选区激光熔化技术制备出了医用微型钻头毛坯。对医用微型钻头毛坯进行了磨削加工,提出了后刀面磨削、横刃修磨和钻径磨削的新刃磨工艺,制备出了符合技术要求的直径为Φ3mm的医用微型钻头。仿真研究了医用微型钻头钻削皮质骨的钻削过程,分析了转速和进给速度对钻削温度和轴向钻削力的影响规律。结果表明,皮质骨钻削温度的最大值随着转速的增加而升高,随着进给速度的增加而降低;医用微型钻头的轴向钻削力在稳定阶段时的平均值随着转速的增加而减小,随着进给速度的增加而增大。选择了钻削皮质骨时的合理钻削参数范围。实验研究了医用微型钻头钻削皮质骨时的钻削性能,对钻削过程进行了分析。结果表明,整个钻削过程切屑排出顺畅,没有出现由于所制备的医用微型钻头未进行螺旋槽磨削加工而影响排屑的现象;当钻削用量为转速600r/min、进给速度40mm/min时,皮质骨的钻削温度最大值为43℃,医用微型钻头的轴向钻削力在稳定阶段时的平均值为41N,钻削温度和轴向钻削力的实验结果与仿真结果随钻削时间的变化趋势是一致的,实验结果与仿真结果的差别较小,验证了有限元仿真结果的有效性。研究了医用微型钻头的钻孔质量和钻头磨损情况。结果表明,医用微型钻头的钻孔质量较高,除了孔出口存在少量毛刺外,孔入口和孔壁都无明显的加工缺陷;医用微型钻头的主要失效形式是后刀面磨损和崩刃,越靠近主切削刃外缘磨损越严重,钻头后刀面的磨损机理是磨粒磨损。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH777;TG665
【图文】：
按照成形方式和成形机理分类，最具代表性的激光增材制造技术是选区激光逡逑烧结（ＳＬＳ）技术、选区激光熔化（ＳＬＭ）技术和激光金属沉积（ＬＭＤ）技术，逡逑如图１－２所示。逡逑激光增材制造技术逡逑，逦邋Ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑粉末部分熔化｜逦｜粉末完全熔化逡逑ｒ逦Ｉ逡逑逦逦邋逦｜逦丨逦逡逑选区激光烧结技术｜逦｜选区激光熔化技术｜｜激光金属沉积逡逑预置粉末法｜逦｜预置４末法｜逦｜同轴４粉法逡逑１逦Ｉ逦Ｉ逡逑＾多组分金属＾纯金属粉末逡逑＿多组分合金粉末逦Ｌ合金粉末逡逑图１－２激光增材制造技术的分类逡逑（１）选区激光烧结技术逡逑选区激光烧结技术是基于液相烧结机制对粉末材料进行快速固化。粉末材料逡逑通常是由作为结构金属的高熔点粉末、作为粘结剂的低熔点粉末和少量助熔剂或逡逑脱氧剂粉末组成［５］。通过调整激光参数，保持工作温度在两种材料的熔点之间。逡逑因此粘结剂完全熔化，而结构金属保持其固体颗粒。随后固体颗粒在毛细管力的逡逑作用下发生重排，使其致密化。沈以赴［６］采用选区激光烧结技术对纳米ＷＣ－Ｃｏ逡逑粉末进行了烧结，揭示了选区激光烧结过程中的液相烧结机理，其中Ｃｏ粉末熔逡逑点为１４９５°Ｃ，作为粘结材料；ＷＣ粉末熔点为２８７０°Ｃ，作为结构材料。逡逑由于选区激光烧结成形过程中烧结时间过短，整个液相烧结过程无法充分完逡逑成
图１－４论文总体结构框架图逡逑
２．１有限元模型的建立逡逑２．１．１几何模型逡逑图２－１是本文建立的选区激光熔化几何模型，包括基体、粉末和激光束三部逡逑分。在基体上表面铺一层金属粉末，激光束照射到金属粉末层上，以恒定的速度逡逑沿Ｚ轴移动，金属粉末在激光束的照射下吸收能量，温度迅速升高，达到金属粉逡逑末的熔点时，金属粉末熔化形成熔池，随后金属粉末迅速冷却凝固，导致熔池尺逡逑寸较小且存在时间极短。逡逑激光束逡逑（－Ｈ逦Ｚ，．’邋Ｘ逡逑粉末、，}犲澹澹义匣澹危ⅲ″危义贤迹玻毖∏す馊刍负文Ｐ湾义希保板义
本文编号：2779647
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH777;TG665
【图文】：
按照成形方式和成形机理分类，最具代表性的激光增材制造技术是选区激光逡逑烧结（ＳＬＳ）技术、选区激光熔化（ＳＬＭ）技术和激光金属沉积（ＬＭＤ）技术，逡逑如图１－２所示。逡逑激光增材制造技术逡逑，逦邋Ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑粉末部分熔化｜逦｜粉末完全熔化逡逑ｒ逦Ｉ逡逑逦逦邋逦｜逦丨逦逡逑选区激光烧结技术｜逦｜选区激光熔化技术｜｜激光金属沉积逡逑预置粉末法｜逦｜预置４末法｜逦｜同轴４粉法逡逑１逦Ｉ逦Ｉ逡逑＾多组分金属＾纯金属粉末逡逑＿多组分合金粉末逦Ｌ合金粉末逡逑图１－２激光增材制造技术的分类逡逑（１）选区激光烧结技术逡逑选区激光烧结技术是基于液相烧结机制对粉末材料进行快速固化。粉末材料逡逑通常是由作为结构金属的高熔点粉末、作为粘结剂的低熔点粉末和少量助熔剂或逡逑脱氧剂粉末组成［５］。通过调整激光参数，保持工作温度在两种材料的熔点之间。逡逑因此粘结剂完全熔化，而结构金属保持其固体颗粒。随后固体颗粒在毛细管力的逡逑作用下发生重排，使其致密化。沈以赴［６］采用选区激光烧结技术对纳米ＷＣ－Ｃｏ逡逑粉末进行了烧结，揭示了选区激光烧结过程中的液相烧结机理，其中Ｃｏ粉末熔逡逑点为１４９５°Ｃ，作为粘结材料；ＷＣ粉末熔点为２８７０°Ｃ，作为结构材料。逡逑由于选区激光烧结成形过程中烧结时间过短，整个液相烧结过程无法充分完逡逑成
图１－４论文总体结构框架图逡逑
２．１有限元模型的建立逡逑２．１．１几何模型逡逑图２－１是本文建立的选区激光熔化几何模型，包括基体、粉末和激光束三部逡逑分。在基体上表面铺一层金属粉末，激光束照射到金属粉末层上，以恒定的速度逡逑沿Ｚ轴移动，金属粉末在激光束的照射下吸收能量，温度迅速升高，达到金属粉逡逑末的熔点时，金属粉末熔化形成熔池，随后金属粉末迅速冷却凝固，导致熔池尺逡逑寸较小且存在时间极短。逡逑激光束逡逑（－Ｈ逦Ｚ，．’邋Ｘ逡逑粉末、，}犲澹澹义匣澹危ⅲ″危义贤迹玻毖∏す馊刍负文Ｐ湾义希保板义
本文编号：2779647
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