轴向低频振动对皮质骨钻削进给力的影响试验与分析

为了研究轴向低频振动辅助钻削方式在皮质骨钻削过程中对进给力的影响,对全钻头和横刃部分进给力进行了对比试验,并对切削刃切削单元的运动学和瞬时加工过程进行了分析。对比试验结果表明：在相同的钻削参数下,与常规方式相比,轴向低频振动钻削方式的全钻头进给力最大可减小约60%,横刃部分进给力可减小60%～80%。依据运动学分析和典型骨屑形态对比可以得出：在特定的钻削参数和振动参数配合下,轴向低频振动钻削方式可以实现钻头-工件周期性分离运动,显著影响瞬态加工过程,是进给力显著减小的主要原因之一。     

TC4钛合金低频振动钻削切屑形态和钻削力研究

为研究TC4钛合金低频振动钻削过程中切屑形态与钻削参数和振动参数对钻削力（轴向力和扭矩）的影响规律，基于一种自主研制的低频振动刀柄，分别采用单因素法和正交试验法对钛合金进行了低频振动钻削试验，分析了不同钻削条件下的切屑形态和钻削力，建立了轴向力和扭矩的经验公式，并对钻削力的影响因素进行直观分析与方差分析。结果表明：试验系统在低频振动钻削TC4钛合金时，振幅与进给量之比接近临界断屑值0.81时断屑可靠，排屑顺畅；低频振动瞬时钻削力呈现出规律的正弦波形，钻削力动态分量远大于普通钻削，轴向力和扭矩均值可比普通钻削分别降低10%~15%和15%~20%；进给量对钻削力影响最为显著，振幅次之，钻削速度影响最小；建立的振动钻削经验模型误差保持在10%以内，可以较为准确地对该试验系统所选参数范围内的钻削力进行预测。     

轴向超声振动钻削的钻削力和切屑形态研究

建立了钻削加工仿真模型,并采用麻花钻对钛合金进行振动钻削试验。利用ABAQUS软件进行轴向超声振动钻削仿真,试验验证和对比分析了轴向超声振动钻削在不同加工参数下的切屑形态和钻削力。仿真与试验结果表明:随着进给量和振幅增加,钻削力增大,但进给量对钻削力的影响大于振幅;无论是进给量还是振幅的改变,对切屑形态均有影响。     

低频复合振动钻削装置

1.两种单纯振动钻削的不足之处低频振动钻削一般都是采用轴向和扭转两种振动方式。轴向振动刀具对工件易产生轴向的冲击负荷,降低了工艺稳定性,同时要求刀具的刚性要好,否则易折断。扭转振动钻削是刀具与工件不分离的一种断续切削方式,因此切削热和摩擦热都集中在刀刃附近。刀具耐用度下降,工件易产生热变形。我们在实验中发现由于各种工件的材料的切削性能不同,工艺参数也不相同;有时由于切屑的积压划伤孔的表面,严重的则使刀具断裂,又由于进给量小,使生产效率不高。在此种情况下,采用低频振动切削是一种有效的改善措施。     

钻头几何参数对低频振动钻削CFRP/钛合金叠层材料钻削轴向力及温度的影响

通过开展低频振动钻削叠层材料单因素试验,研究了刀具的顶角、螺旋角和后角对钻削轴向力及温度的影响。结果表明:钻头顶角越大,轴向力越大,螺旋角的变化对钻削CFRP层轴向力影响较小;在钻削钛合金层时,轴向力随着螺旋角的增大呈先下降后上升的趋势,钻头后角越小,轴向力越大;钻头几何参数对钻削温度的影响可以忽略,得出较为适合CFRP/钛合金叠层材料振动制孔的钻头几何参数为顶角120°、螺旋角25°、后角20°。     

基于DEFORM-3D轴向振动钻削304不锈钢有限元仿真

难加工材料微小孔钻削过程中存在钻削力大、断屑难及钻削温度高等加工问题,而轴向振动钻削方法可以解决此类问题。基于轴向振动钻削机理,对轴向振动钻削的运动特性和变厚切削特性进行了分析。通过DEFORM-3D软件建立了轴向振动钻削有限元模型,对304不锈钢进行了振动频率为550 Hz,振幅为16μm,转速为3 000 r/min,进给量为50μm/r的轴向振动钻削和普通钻削仿真试验,对比分析了两种加工过程中的切屑形态、轴向力和扭矩等。结果表明：与普通钻削相比,轴向振动钻削具有更好的断屑效果,可以降低平均轴向力约48.1%,降低平均扭矩约38.2%。     

超声振动辅助三尖钻钻削皮质骨的研究

在临床中,使用医用麻花钻给骨钻孔是常见的治疗手段,但医用麻花钻通常存在定心能力差的问题,骨大多都是曲面,所以在骨钻削中极易造成孔位的偏离、孔形不圆、孔直径偏大等现象。针对这一问题,改用定心能力更好的三尖钻并施加超声振动对皮质骨进行钻削研究。通过研究发现三尖钻超声振动辅助(UAD)钻削不仅改善了给骨钻孔时定心能力差的问题,而且与三尖钻普通(CD)钻削对比发现,UAD三尖钻钻削在轴向力、钻削温度、孔内壁表面粗糙度均比CD钻削有大幅度减小,钻孔直径精度则有大幅提高。三尖钻UAD钻削大幅度提高了孔的表面质量。     

永磁振动钻削装置

通过对振动钻削装置的综合比较及分析,采用了更为新颖的钻削方式-永磁式低频轴向振动钻削.即利用磁体间的吸力与斥力产生有规律地正弦振动.使钻床实现主轴的旋转运动、进给运动、振动这三种运动的和谐统一.     

轴向振动钻削过程的有限元动态仿真

针对钻削工艺特点,分析了轴向振动钻削的有限元动态特性。利用有限元分析软件DEFORM建立了轴向振动钻削的有限元数学模型,进行了动态仿真分析,同时,建立了相应的普通钻削系统的有限元模型,对两种加工过程中的切屑、轴向力与钻削扭矩等进行了比较。结果表明,与普通钻削相比,轴向振动钻削过程具有较好的断屑效果,轴向力小,钻削扭矩小。研究结果可对轴向振动钻削机理与特点的研究提供参考。     

基于Deform-3D轴向振动钻削P20有限元仿真

针对机械特种加工振动钻削过程的工艺选择对加工效率及表面质量的影响等问题,基于有限元分析软件Deform-3D模拟振动钻削P20模具钢的加工过程.通过单因素试验法分析主轴转速、进给速度和振幅对于轴向力和转矩的影响,并与普通钻削加工进行对比;通过正交试验法验证了钻削参数对轴向力和转矩的影响规律.研究表明:振动钻削相比普通钻削可以降低轴向力和转矩,具有更好的钻削工艺特性.     

基于各向异性皮质骨的钻削温度研究

为了研究钻削用量与钻削温度之间的关系,利用ABAQUS软件建立医用麻花钻和皮质骨的钻削仿真模型。基于皮质骨各向异性的本质属性,分析比较各向同性与各向异性模型,证明各向异性模型更符合真实情况;利用各向异性模型研究钻削温度与转速、进给速度和背吃刀量之间的关系。     

振动切削深孔加工初始偏差对孔直线度误差的影响

构建了振动切削深孔加工钻杆在轴向振动、振动切削力和切削液流体力影响下的多跨动力学有限元模型。引入自由模态综合技术,将钻杆线性自由度的特征模态进行缩减,仅保留具有非线性动力特征的模态,从而可有效降低耦合系统自由度数,减小计算量。利用该缩减后的模型,研究了辅助支撑位置和加工深度与孔直线度误差的作用关系,获得了孔直线度随初始偏差量变化的规律,为大跨度振动切削深孔加工机床的精度设计和加工误差分析提供了依据。通过试验与数值计算结果的对比,验证了所提出方法的有效性与准确性。     

基于虚拟仪器的皮质骨钻削温度测量系统设计

对皮质骨在钻削过程中产生的钻削热进行测量和研究,提出一种基于Lab VIEW平台与亚为数据采集卡相结合的钻削温度动态测量系统。该系统采用人工热电偶作为温度传感器,芯片AD595作为信号放大元件,对钻削过程中的温度进行采集和处理,并通过计算机对所采集的数据进行实时显示、存储和查询,以及实现对热电偶的标定等功能,开发出一个相对完整的虚拟仪器温度测量系统。     

金刚石涂层钻头钻削SiCp/Al复合材料的仿真有限元分析

利用DEFORM - 3D有限元软件对金刚石涂层钻头钻削SiCp/Al复合材料的过程进行了动态仿真,分析了钻削速度、进给量对加工过程中刀具的轴向力、扭矩以及工件温度的影响.结果表明:随着进给量的增加,钻削过程中钻头的轴向力、扭矩和工件的温度都有所增加;随着钻削速度的增加,钻削过程中钻头的轴向力和扭矩的变化不大,但工件的...     

高温合金振动钻削断屑实验研究及机理分析

对振动钻削理论进行了分析,建立了振动钻削时断屑的数学模型,利用自制的振动钻削实验装置,采用不同的振动钻削参数进行高温合金振动钻削试验,对轴向振动钻削的断屑效果以及轴向钻削力和扭矩进行了研究,分析了各加工参数对加工过程的影响,发现振动钻削力随钻削参数的变化比较平稳,在大进给量或高转速状态下,振动钻削的钻削力比普通钻削力小得多。通过比较振动钻削与普通钻削所得切屑可知:振动钻削有利于断屑,切屑体积小,排屑顺畅。     

钻削GH4169高温合金薄壁件钻削力仿真研究

GH4169高温合金的薄壁钻孔与厚壁钻孔相比有特殊性,运用ABAQUS软件进行钻削GH4169高温合金薄壁件的仿真,研究钻削加工过程中钻削参数和工件厚度对钻削力的影响规律及变化特征,分析应力的分布规律。结果表明:钻削初期,横刃的挤压和主切削刃切削长度的增加使钻削力和扭矩增大;稳定钻削阶段,横刃切出后,主切削刃切削长度不变切削直径增加,钻削力和扭矩稳定增加;钻削后期,副切削刃参与切削,主切削刃切削长度减小,轴向钻削力和扭矩减小,但副刃与孔壁的挤压摩擦,曲线波动较大;钻削速度、进给量及工件厚度的增加都会导致轴向钻削力和扭矩的增加;钻削时的最大应力分布在横刃和主切削刃与工件的接触部位。     

GH4169高温合金薄壁钻削加工钻削力的仿真研究

GH4169高温合金薄壁钻孔与常规的高温合金厚壁钻孔相比有其特殊性,应用有限元分析软件对硬质合金钻头钻削镍基高温合金平板薄壁件的动态过程进行建模,总结钻削过程中钻削力的变化特点以及进给量和钻削速度对钻削力的影响。研究结果表明:当钻尖高度大于薄壁件厚度时,根据钻头与薄壁件的相对位置,可将钻削过程分为三个阶段,在不同阶段钻削力变化特点不同;轴向力和扭矩随着钻削速度的增加而增加,但轴向力增加幅度不大;轴向力和扭矩均随着进给量的增大而明显增大;进给量对钻削力和扭矩的影响较钻削速度明显。     

Drilling Force and Temperature of Bone under Dry and Physiological Drilling Conditions

Many researches on drilling force and temperature have been done with the aim to reduce the labour intensiveness of surgery, avoid unnecessary damage and improve drilling quality. However, there has not been a systematic study of mid- and high-speed drilling under dry and physiological conditions（injection of saline）. Furthermore, there is no consensus on optimal drilling parameters. To study these parameters under dry and physiological drilling conditions, pig humerus bones are drilled with medical twist drills operated using a wide range of drilling speeds and feed rates. Drilling force and temperature are measured using a YDZ-II01W dynamometer and a NEC TVS-500EX thermal infrared imager, respectively, to evaluate internal bone damage. To evaluate drilling quality, bone debris and hole morphology are observed by SEM（scanning electron microscopy）. Changes in drilling force and temperature give similar results during drilling such that the value of each parameter peaks just before the drill penetrates through the osteon of the compact bone into the trabeculae of the spongy bone. Drilling temperatures under physiological conditions are much lower than those observed under dry conditions, while a larger drilling force occurs under physiological conditions than dry conditions. Drilling speed and feed rate have a significant influence on drilling force, temperature, bone debris and hole morphology. The investigation of the effect of drilling force and temperature on internal bone damage reveals that a drilling speed of 4500 r/min and a feed rate of 50 mm/min are recommended for bone drilling under physiological conditions. Drilling quality peaks under these optimal parameter conditions. This paper proposes the optimal drilling parameters under mid- and high-speed surgical drilling, considering internal bone damage and drilling quality, which can be looked as a reference for surgeons performing orthopedic operations.