面向钛合金复杂曲面的软性磨粒流加工方法

发布时间：2020-09-28 20:35

　　 钛合金人工关节结构复杂、材料导热性差,传统精密加工方法难以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性。软性磨粒流精密加工方法由于良好的形状适应性和超低的加工温度,极好地满足了钛合金人工关节的抛光需要。针对钛合金人工关节,提出了复杂曲面软性磨粒流湍流加工方法,分析磨粒流湍流流场分布形态,研究磨粒流调控规律。基于浆体冲蚀模型,分析了颗粒在约束流道内的运动状态,建立了磨粒流加工去除模型,该模型不仅考虑了近壁面区域内的颗粒速度和颗粒对壁面的压力的影响,还加入了加工工件表面曲率因素。根据以往研究,设计了仿形约束流道,利用Fluent软件中的Eulerian模型和增强壁面处理函数对仿形约束流道维数值模拟仿真,计算得到近壁面区域内的颗粒速度和颗粒对壁面的压力的分布情况,结合磨粒流材料加工去除模型,为了排除颗粒速度和颗粒对壁面的压力分布对磨粒流加工的影响,研究设计了优化约束流道,以进一步实验研究加工工件表面曲率对磨粒流加工的影响。结合优化约束流道设计了实验平台并进行了相关的实验研究,得到各个加工区域的材料去除质量,验证了理论模型和数值模拟的正确性。整个加工表面的平均粗糙度从294.49nm降到了62.11nm,结果表明复杂曲面磨粒流加工具有很好的可调控性和实际应用效果,对今后进一步更为完善的复杂曲面软性磨粒流湍流加工自动化加工设备的改进和设计具有重要的指导意义。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG580.6
【部分图文】：

从上个世纪 90 年代至今，我国得关节方面疾病的患者数量不断增加。关节疾病发作的原因有很多，有过度剧烈运动导致的运动性关节损伤，也有骨关节炎，还有类风湿性关节炎等。其中患骨关节炎的老年人患者占了极大部分，所占比例高达 55%。目前，我国存在不同长度的关节疾病问题的人数越有 1.2 亿。在未来的 20 年里，由于我国社会老龄化的到来，患关节疾病问题的老年人数量将会翻一番。关节疾病就如同牙齿问题，虽然不会危及到患者的生命，但是会一直缠着患者，令患者一直疼痛，以致患者失去劳动能力，这使得患者的生活质量大大降低，更严重则会令患者丧失自理能力，因此，关节疾病被称为“致残率最高的头号疾病”。目前，人工关节置换已成为各种关节疾病的有效治疗方法，通过将病变关节置换成人工关节，能够重建患者的关节功能，从而使患者重新获得自理能力，提高他们的生活质量。人工关节最早应用的是人工髋关节，后来又有了人工膝关节，到如今，人工关节已经扩展到了人体的肩关节、腕关节、肘关节、踝关节以及指间关节等，部分人工关节如图 1-1 所示。

浙江工业大学硕士学位论文（学术型）另外流体冲击位置与附近位置加工效率相差较大，很难角度等加工条件实现均匀的加工效果。磨料流抛光加工工过程中，产生的磨屑不容易排出回收，以致加工表面学计时鸣等[10-12]针对模具的复杂内腔光整加工提出了结ftness Abrasive Flowing, SAF)，即采用特定的仿形约束构，再利用选定的磨粒与载体以一定比例混合制成软性磨种新型抛光加工技术。固液两相磨粒流抛光是一种利用来实现抛光的新工艺。在流体抛光中，由于流体的柔性工件表面导致表层损伤。通过在加工工件的表面与相对道，将软性磨粒流通入约束流道中，使基液充满整个加，带动颗粒相冲击加工工件的表面，以颗粒对加工壁面化壁面的精密抛光加工，加工实验平台如图 1-2 所示。

这种加工抛光加工方法是从上个世纪的 70 年代开始发展的一种新型抛光加工方法，其加工原理如图1-3 所示，这种方法是以粘度相对较大的材料来作载体，施加较强的的挤压作用力，从而使载体中的磨料颗粒在加工表面上作相对运动，实现去除毛刺甚至是光整加工的作用。载体通常采用粘度较大的，如润滑稀释剂等材料，磨料则是细微的颗粒，其材料通常采用碳化硅、金刚石等一些超硬的材料，磨料流在液压操纵控制的活塞作用下，来回挤压移动，带动磨料摩擦加工表面，进而实现加工表面的精整加工，磨料流的移动速度主要由磨料流的粘度、活塞的作用压力、磨料流的工作行程等因素所影响。磨料流加工技术的主要优点是加工表面的质量相对稳定，并且加工精度较高，磨料流也不会对加工表面产生任何的残余应力和变质层。对于磨料流加工方法，国内外学者根据理论研究结果，进行了大量的实验，A. J.Fletcher 等[52-53]研究了磨料流加工过程中，磨料流材料的热特性和流变性。P. J. Davies 等[54-55]研究了磨料流加工过程中，磨料流配方的流变特性和对应的加工实验参数两者之间的作用关系。R. E. Williams 和 K. P. Rajurkar[56]探讨了磨料流加工过程中的加工特性，研究了磨料流加工工艺参数，如活塞压力、介质粘度等对加工结果参数，比如加工工件的材料去除率和表面粗糙度的作用。汤勇[57-58]等学者率先在国内对磨料流加工技术开展了研究，其中，汤勇等学者将圆孔通道选择作为工件，其材料是 T8 工具钢，加工工件的表面粗糙度初始值为 Ra 1.2μm，圆孔直径为 7mm

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本文编号：2829238