發(fā)布時(shí)間：2020-09-28 20:35

　　 鈦合金人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料導(dǎo)熱性差,傳統(tǒng)精密加工方法難以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性。軟性磨粒流精密加工方法由于良好的形狀適應(yīng)性和超低的加工溫度,極好地滿(mǎn)足了鈦合金人工關(guān)節(jié)的拋光需要。針對(duì)鈦合金人工關(guān)節(jié),提出了復(fù)雜曲面軟性磨粒流湍流加工方法,分析磨粒流湍流流場(chǎng)分布形態(tài),研究磨粒流調(diào)控規(guī)律。基于漿體沖蝕模型,分析了顆粒在約束流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),建立了磨粒流加工去除模型,該模型不僅考慮了近壁面區(qū)域內(nèi)的顆粒速度和顆粒對(duì)壁面的壓力的影響,還加入了加工工件表面曲率因素。根據(jù)以往研究,設(shè)計(jì)了仿形約束流道,利用Fluent軟件中的Eulerian模型和增強(qiáng)壁面處理函數(shù)對(duì)仿形約束流道維數(shù)值模擬仿真,計(jì)算得到近壁面區(qū)域內(nèi)的顆粒速度和顆粒對(duì)壁面的壓力的分布情況,結(jié)合磨粒流材料加工去除模型,為了排除顆粒速度和顆粒對(duì)壁面的壓力分布對(duì)磨粒流加工的影響,研究設(shè)計(jì)了優(yōu)化約束流道,以進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究加工工件表面曲率對(duì)磨粒流加工的影響。結(jié)合優(yōu)化約束流道設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究,得到各個(gè)加工區(qū)域的材料去除質(zhì)量,驗(yàn)證了理論模型和數(shù)值模擬的正確性。整個(gè)加工表面的平均粗糙度從294.49nm降到了62.11nm,結(jié)果表明復(fù)雜曲面磨粒流加工具有很好的可調(diào)控性和實(shí)際應(yīng)用效果,對(duì)今后進(jìn)一步更為完善的復(fù)雜曲面軟性磨粒流湍流加工自動(dòng)化加工設(shè)備的改進(jìn)和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TG580.6
【部分圖文】：

從上個(gè)世紀(jì) 90 年代至今，我國(guó)得關(guān)節(jié)方面疾病的患者數(shù)量不斷增加。關(guān)節(jié)疾病發(fā)作的原因有很多，有過(guò)度劇烈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)性關(guān)節(jié)損傷，也有骨關(guān)節(jié)炎，還有類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。其中患骨關(guān)節(jié)炎的老年人患者占了極大部分，所占比例高達(dá) 55%。目前，我國(guó)存在不同長(zhǎng)度的關(guān)節(jié)疾病問(wèn)題的人數(shù)越有 1.2 億。在未來(lái)的 20 年里，由于我國(guó)社會(huì)老齡化的到來(lái)，患關(guān)節(jié)疾病問(wèn)題的老年人數(shù)量將會(huì)翻一番。關(guān)節(jié)疾病就如同牙齒問(wèn)題，雖然不會(huì)危及到患者的生命，但是會(huì)一直纏著患者，令患者一直疼痛，以致患者失去勞動(dòng)能力，這使得患者的生活質(zhì)量大大降低，更嚴(yán)重則會(huì)令患者喪失自理能力，因此，關(guān)節(jié)疾病被稱(chēng)為“致殘率最高的頭號(hào)疾病”。目前，人工關(guān)節(jié)置換已成為各種關(guān)節(jié)疾病的有效治療方法，通過(guò)將病變關(guān)節(jié)置換成人工關(guān)節(jié)，能夠重建患者的關(guān)節(jié)功能，從而使患者重新獲得自理能力，提高他們的生活質(zhì)量。人工關(guān)節(jié)最早應(yīng)用的是人工髖關(guān)節(jié)，后來(lái)又有了人工膝關(guān)節(jié)，到如今，人工關(guān)節(jié)已經(jīng)擴(kuò)展到了人體的肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及指間關(guān)節(jié)等，部分人工關(guān)節(jié)如圖 1-1 所示。

浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)型）另外流體沖擊位置與附近位置加工效率相差較大，很難角度等加工條件實(shí)現(xiàn)均勻的加工效果。磨料流拋光加工工過(guò)程中，產(chǎn)生的磨屑不容易排出回收，以致加工表面學(xué)計(jì)時(shí)鳴等[10-12]針對(duì)模具的復(fù)雜內(nèi)腔光整加工提出了結(jié)ftness Abrasive Flowing, SAF)，即采用特定的仿形約束構(gòu)，再利用選定的磨粒與載體以一定比例混合制成軟性磨種新型拋光加工技術(shù)。固液兩相磨粒流拋光是一種利用來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光的新工藝。在流體拋光中，由于流體的柔性工件表面導(dǎo)致表層損傷。通過(guò)在加工工件的表面與相對(duì)道，將軟性磨粒流通入約束流道中，使基液充滿(mǎn)整個(gè)加，帶動(dòng)顆粒相沖擊加工工件的表面，以顆粒對(duì)加工壁面化壁面的精密拋光加工，加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖 1-2 所示。

這種加工拋光加工方法是從上個(gè)世紀(jì)的 70 年代開(kāi)始發(fā)展的一種新型拋光加工方法，其加工原理如圖1-3 所示，這種方法是以粘度相對(duì)較大的材料來(lái)作載體，施加較強(qiáng)的的擠壓作用力，從而使載體中的磨料顆粒在加工表面上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)去除毛刺甚至是光整加工的作用。載體通常采用粘度較大的，如潤(rùn)滑稀釋劑等材料，磨料則是細(xì)微的顆粒，其材料通常采用碳化硅、金剛石等一些超硬的材料，磨料流在液壓操縱控制的活塞作用下，來(lái)回?cái)D壓移動(dòng)，帶動(dòng)磨料摩擦加工表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工表面的精整加工，磨料流的移動(dòng)速度主要由磨料流的粘度、活塞的作用壓力、磨料流的工作行程等因素所影響。磨料流加工技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是加工表面的質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，并且加工精度較高，磨料流也不會(huì)對(duì)加工表面產(chǎn)生任何的殘余應(yīng)力和變質(zhì)層。對(duì)于磨料流加工方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)理論研究結(jié)果，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，A. J.Fletcher 等[52-53]研究了磨料流加工過(guò)程中，磨料流材料的熱特性和流變性。P. J. Davies 等[54-55]研究了磨料流加工過(guò)程中，磨料流配方的流變特性和對(duì)應(yīng)的加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)兩者之間的作用關(guān)系。R. E. Williams 和 K. P. Rajurkar[56]探討了磨料流加工過(guò)程中的加工特性，研究了磨料流加工工藝參數(shù)，如活塞壓力、介質(zhì)粘度等對(duì)加工結(jié)果參數(shù)，比如加工工件的材料去除率和表面粗糙度的作用。湯勇[57-58]等學(xué)者率先在國(guó)內(nèi)對(duì)磨料流加工技術(shù)開(kāi)展了研究，其中，湯勇等學(xué)者將圓孔通道選擇作為工件，其材料是 T8 工具鋼，加工工件的表面粗糙度初始值為 Ra 1.2μm，圓孔直徑為 7mm

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