BR102015006383B1 - CERAMIC BALL GENERATOR - Google Patents
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Abstract
GERADORA DE ESFERAS DE CERÂMICAS. A presente invenção se refere a uma máquina geradora de esferas de cerâmicas que realiza as quatro fases de usinagem esférica de cerâmicas de alumina, zircônia e compósitos desses materiais cerâmicos na produção de esferas e acetábulos para próteses cirúrgicas de recapeamento de quadril em materiais não metálicos e materiais cerâmicos em geral, e em particular, para a geração, retificação, lapidação e polimento de esferas de cerâmicas técnicas para artroplastias de articulações sinoviais esféricas de ossos longos - fêmures e úmeros. A geradora de esferas cerâmicas apresenta um elevado grau de amortecimento interno devido às suas estruturas de granito sintético que absorvem as vibrações internas usuais dos processos de usinagem de cerâmicas, proporcionando qualidade e precisão submicrométrica aos produtos gerados.CERAMIC BALL GENERATOR. The present invention relates to a ceramic ball generating machine that performs the four phases of spherical machining of alumina, zirconia and composite ceramics of these ceramic materials in the production of balls and acetabulum for surgical hip resurfacing prostheses in non-metallic materials and ceramic materials in general, and in particular, for the generation, grinding, lapping and polishing of technical ceramic spheres for arthroplasties of spherical synovial joints of long bones - femurs and humerus. The ceramic ball generator presents a high degree of internal damping due to its synthetic granite structures that absorb the usual internal vibrations of ceramic machining processes, providing quality and submicrometric precision to the generated products.
Description
[001] A presente invenção se insere no campo de aplicação da engenharia, mecânica, mais especificamente, de máquinas e equipamentos para a usinagem esférica de materiais cerâmicos em geral, uma vez que se refere a uma geradora de esferas de cerâmicas para a geração, retificação, lapidação e polimento de esferas de cerâmicas técnicas, preferencialmente, para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais esféricas de ossos longos.[001] The present invention is part of the field of application of engineering, mechanics, more specifically, of machines and equipment for the spherical machining of ceramic materials in general, since it refers to a generator of ceramic spheres for the generation, grinding, lapping and polishing of technical ceramic spheres, preferably for resurfacing arthroplasties of spherical synovial joints of long bones.
[002] A fabricação de esferas cerâmicas é baseada na fabricação de esferas metálicas e se utiliza da usinagem entre rebolos. As alternativas mais empregadas são entre rebolos concêntricos com e sem canais, alguns canais em "V" outros em hemiesferas. Em alguns projetos, as esferas têm uma posição de entrada e após certo percurso uma saida em processo continuo. Em geral é feita por uma sequência de máquinas nas operações de desbaste, retificação, lapidação e polimento.[002] The manufacture of ceramic spheres is based on the manufacture of metallic spheres and uses machining between grinding wheels. The most used alternatives are between concentric grinding wheels with and without channels, some channels in "V" others in hemiospheres. In some projects, the spheres have an entry position and, after a certain path, an exit in a continuous process. In general, it is carried out by a sequence of machines in the roughing, grinding, lapping and polishing operations.
[003] A presente invenção é baseada em uma única máquina composta por três rebolos sendo um de corte e dois de arraste.Todo ciclo de usinagem é feito em apenas uma máquina, por batelada, com troca apenas dos rebolos de corte. Os rebolos de arraste são concêntricos entre si e excêntricos ao rebolo de corte o que aumenta a superfície de corte do rebolo, ainda, os rebolos de arraste têm velocidades e direções variáveis e programáveis na busca de aumentar o efeito randômico da usinagem o que confere menor desvio de esfericidade das esferas.[003] The present invention is based on a single machine consisting of three grinding wheels, one for cutting and two for drag. The drag wheels are concentric with each other and eccentric to the cutting wheel, which increases the cutting surface of the wheel, yet, the drag wheels have variable and programmable speeds and directions in order to increase the random effect of the machining, which gives less sphericity deviation of the spheres.
[004] O documento "Conformação e usinagem de esferas de cerâmica de alumina" refere-se a uma metodologia para a usinagem de esferas de cerâmica de alumina. Neste referido trabalho uma única hiperesfera prensada, com furo, é fixada (pelo seu furo) a um eixo que gira sobre seu centro; um rebolo fixado em uma pinça gira sobre o próprio eixo e roda em um eixo transversal ao centro geométrico da esfera geratriz de hiperesfera mantendo uma distância deste centro (raio de usinagem da hiperesfera) sendo então removido material da hiperesfera fixada. Todos os movimentos de usinagem são determinados. Já na presente invenção é feita a usinagem de várias esferas simultaneamente (e não uma única hiperesfera), que ficam apoiadas (não fixas) sobre dois rebolos de arrastes que giram em sentidos e velocidades diferentes e variáveis, que estão excêntricos relativamente a um superior rebolo plano de usinagem e assim tem-se o desenvolvimento de uma cinemática aleatória de giro. Portanto, tal documento não entra em conflito com a presente invenção.[004] The document "Forming and Machining Alumina Ceramic Balls" refers to a methodology for machining alumina ceramic balls. In this work, a single pressed hypersphere, with a hole, is fixed (through its hole) to an axis that rotates about its center; a grinding wheel fixed in a clamp rotates on its own axis and rotates on an axis transverse to the geometric center of the hypersphere generating sphere, maintaining a distance from this center (milling radius of the hypersphere) and material from the fixed hypersphere is then removed. All machining movements are determined. In the present invention, however, several balls are machined simultaneously (and not a single hypersphere), which are supported (not fixed) on two drag wheels that rotate in different and variable directions and speeds, which are eccentric with respect to a superior wheel. machining plane and thus the development of a random rotation kinematics. Therefore, such document does not conflict with the present invention.
[005] Um método de fabricação de esferas cerâmicas é descrito no documento CN 102528641. As esferas são apoiadas em um sulco em "V" tendo no fundo material abrasivo, sendo um processo característico de lapidação somente. O projeto anular deste dispositivo em uma única peça restringe a rotação e translação das esferas, prejudicando a aleatoriedade da usinagem. Tem ainda a concentricidade dos eixos inferior e superior. Na presente invenção, o projeto enfoca a usinagem em verde, retificação, lapidação e polimento, sequenciais e não altera a cinemática com nenhuma restrição de giro nas esferas relativamente aos seus movimentos aleatórios de rotação e translação.[005] A method of manufacturing ceramic spheres is described in document CN 102528641. The spheres are supported in a "V" groove with abrasive material at the bottom, being a characteristic process of lapping only. The annular design of this device in one piece restricts the rotation and translation of the balls, impairing the randomness of the machining. It also has the concentricity of the lower and upper axes. In the present invention, the design focuses on green machining, grinding, lapping and polishing, sequentially and does not change the kinematics with any turning restrictions on the balls with respect to their random rotation and translation movements.
[006] O documento CN 101579840 refere-se a um método de usinagem para fabricar esferas cerâmicas de alta precisão e um dispositivo de simples estrutura para o processamento do método. Tal documento não entra em conflito com a presente invenção, pois apesar da semelhança esquemática apresentada, ela tem conceitos de usinagem bastante diferentes, pois trata de usinagem nas operações e de retificação e polimento somente, contrariamente à presente invenção que realiza as quatro operações de usinagem de esferas de cerâmicas (usinagem em verde, retificação, lapidação e polimento). Também utiliza eixos concêntricos com três rebolos de usinagem; enquanto que a presente invenção utiliza eixos excêntricos com apenas um rebolo de usinagem (o superior) sendo os inferiores de arraste (superficies de atrito não abrasiva), contrário ao principio inventivo proposto.[006] Document CN 101579840 refers to a machining method for manufacturing high precision ceramic spheres and a device of simple structure for processing the method. This document does not conflict with the present invention, because despite the schematic similarity presented, it has quite different machining concepts, since it deals with machining in the operations and with grinding and polishing only, contrary to the present invention that performs the four machining operations of ceramic spheres (green machining, grinding, lapping and polishing). It also uses concentric shafts with three machining wheels; while the present invention uses eccentric axes with only one machining wheel (the upper one) with the lower ones being drag (non-abrasive friction surfaces), contrary to the proposed inventive principle.
[007] A presente invenção refere-se a uma geradora de esferas de cerâmicas desenvolvida para a produção seriada e em massa de esferas de materiais cerâmicos técnicos (alumina, zircônia, compósitos cerâmicos e similares) para aplicações em geral como mancais de elementos rolantes, instrumentos (two ball bar) de calibração de máquinas e medir a três coordenadas, esferas padrão de medidores de circularidade e, principalmente, esferas e acetábulos para próteses cirúrgicas de artroplastia de quadril, em particular as de recapeamento. As esferas e acetábulos para próteses cirúrgicas de artroplastia de recapeamento de quadril produzidas nesta geradora de esferas podem atender cirurgias de artroplastia de articulações sinoviais em geral e, em particular, as de recapeamento de extremidades esferoides ou condilares de ossos em cirurgias de quadril ou ombro de jovens, adultos e idosos, bem como na artroplastia de quadril de animais de qualquer porte. A geradora de esferas de cerâmicas pode produzir esferas cerâmicas em tamanhos variados para atender os diversos padrões de próteses de recapeamento de extremidades ósseas humanas, bem como de animais, para sanar moléstias da articulação sinovial esferoide de ossos longos. Esta solução para a produção seriada de esferas e acetábulos cerâmicos de dimensões variadas, certamente eliminará definitivamente as situações negativas oferecidas pelas atuais próteses metálicas similares encontradas hoje no mercado, particularmente as relativas à resposta imunológica de inúmeros indivíduos candidatos à artroplastia de quadril, em âmbito nacional e mundial.[007] The present invention refers to a ceramic sphere generator developed for the serial and mass production of spheres of technical ceramic materials (alumina, zirconia, ceramic composites and the like) for applications in general as rolling element bearings, instruments (two ball bar) for machine calibration and measuring at three coordinates, standard spheres for circularity meters and, mainly, spheres and acetabulum for surgical hip arthroplasty prostheses, in particular those for resurfacing. The spheres and acetabulum for hip replacement arthroplasty surgical prostheses produced in this sphere generator can serve synovial joint arthroplasty surgeries in general and, in particular, those for resurfacing of spheroid or condylar ends of bones in hip or shoulder surgery of young, adult and elderly, as well as in hip arthroplasty in animals of any size. The ceramic ball generator can produce ceramic balls in different sizes to meet the different standards of human and animal bone extremity resurfacing prostheses to cure long bone synovial ball-and-socket ailments. This solution for the serial production of ceramic spheres and acetabulum of different dimensions will certainly eliminate the negative situations offered by the current similar metallic prostheses found on the market today, particularly those related to the immune response of numerous candidates for hip arthroplasty, nationwide. and worldwide.
[008] A geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de articulações sinoviais desta invenção é uma alternativa para a produção de esferas e acetábulos, de qualquer dimensão, em materiais cerâmicos para artroplastia de recapeamento de quadril de humanos e de animais; tais produtos em materiais não metálicos são ideais para serem implantados em organismos vivos que tenham problemas de alergia de metais, considerando que estes promovem considerável aumento no nivel de ions metálicos no sangue e também reações adversas em pacientes com alergia por materiais metálicos em geral.[008] The ceramic sphere generator for synovial joint arthroplasties of this invention is an alternative for the production of spheres and acetabulum, of any dimension, in ceramic materials for human and animal hip resurfacing arthroplasty; such products in non-metallic materials are ideal to be implanted in living organisms that have metal allergy problems, considering that they promote a considerable increase in the level of metallic ions in the blood and also adverse reactions in patients with allergy to metallic materials in general.
[009] A geradora de esferas de cerâmicas da presente invenção foi desenvolvida para: solucionar os constantes e inerentes problemas relacionados com a produção seriada de esferas cerâmicas de precisão com qualidade e eficiência; apresentar solução adequada para equipamento de pequeno porte para essa finalidade, com características especiais de precisão submicrométrica para a usinagem de cerâmicas de alumina, zircônia e compósitos desses materiais cerâmicos na produção de esferas e acetábulos para próteses cirúrgicas de recapeamento de quadril em materiais não metálicos; eliminar os problemas residuais inerentes à conformação de esferas cerâmicas por prensagem isostática ou prensagem axial, visto que a baixa resistência mecânica apresentada, normalmente abaixo de 2,0 MPa, que tornam esse tipo de usinagem extremamente delicado em função da quantidade de material a ser removida que deve ser minima a fim de não danificar mecanicamente o componente; eliminar os problemas inerentes à usinagem após a sinterização da cerâmica, onde a dureza associada à fragilidade do material cerâmico, dificulta a remoção de material introduzindo sérios defeitos bem como a indução de tensão residual na superfície das peças usinadas com o consequente comprometimento da resistência mecânica do componente usinado.[009] The ceramic sphere generator of the present invention was developed to: solve the constant and inherent problems related to the serial production of precision ceramic spheres with quality and efficiency; present a suitable solution for small equipment for this purpose, with special characteristics of submicrometer precision for the machining of alumina, zirconia ceramics and composites of these ceramic materials in the production of spheres and acetabulum for surgical hip resurfacing prostheses in non-metallic materials; eliminate the residual problems inherent to the conformation of ceramic spheres by isostatic pressing or axial pressing, since the low mechanical strength presented, normally below 2.0 MPa, which makes this type of machining extremely delicate depending on the amount of material to be removed which must be minimal in order not to mechanically damage the component; eliminate the problems inherent to machining after sintering the ceramic, where the hardness associated with the fragility of the ceramic material, makes it difficult to remove material introducing serious defects as well as the induction of residual stress on the surface of the machined parts with the consequent impairment of the mechanical strength of the machined component.
[010] A presente invenção se refere a uma geradora de esferas de cerâmicas para uso geral e, preferencialmente, para esferas e acetábulos em próteses cirúrgicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais esféricas de ossos longos que realiza as operações sequenciais de usinagem de retificação em verde, retificação após a sinterização, a lapidação e o polimento de cerâmicas de alumina, zircônia e de seus compósitos. Para garantir a precisão de usinagem ela dispõe de estrutura de alta rigidez e alto amortecimento interno e dispõe de uma estrutura base acompanhada de quatro unidades independentes para as quatro etapas de usinagem das esferas cerâmicas: retificação em verde, retificação após a sinterização, lapidação e polimento. Cada unidade de usinagem pode receber um número variado de esferas cerâmicas e podem ser sequencialmente acopláveis à estrutura base para satisfazer a cada etapa de usinagem ou geração das esferas cerâmicas. A produção seriada em massa de esferas de cerâmicas técnicas tem precisão submicrométrica com desvios de esfericidade menores que 0,5 μm e rugosidade superficial Ra inferior a 0,05 μm.[010] The present invention refers to a generator of ceramic spheres for general use and, preferably, for spheres and acetabulum in surgical prostheses for resurfacing arthroplasties of spherical synovial joints of long bones that performs the sequential operations of grinding machining in green, grinding after sintering, lapping and polishing of alumina and zirconia ceramics and their composites. In order to guarantee machining precision, it has a high rigidity structure and high internal damping and has a base structure accompanied by four independent units for the four machining stages of the ceramic spheres: green grinding, grinding after sintering, lapping and polishing. . Each machining unit can receive a varied number of ceramic balls and can be sequentially attachable to the base structure to satisfy each machining step or generation of ceramic balls. Serial mass production of technical ceramic spheres has submicron precision with sphericity deviations less than 0.5 μm and surface roughness Ra less than 0.05 μm.
[011] A geradora de esferas de cerâmicas pode produzir em série, um número variado de esferas cerâmicas de duas maneiras: utilizando uma única máquina com quatro unidades sequenciais de usinagem ou quatro máquinas cada uma com a sua unidade especifica (retificação em verde ou retificação após sinterização ou lapidação ou polimento) de usinagem das esferas cerâmicas. As quatro unidades de usinagem podem receber, cada uma em cada vez, um número definido de esferas cerâmicas, que pode ser variado com dimensões de diâmetro entre 6,0mm a 76,00mm e dimensões de base e altura que não ultrapassam 400,0 e 350,0 milímetros, respectivamente, lhe atribuindo a característica de minimáquina de geração de esferas cerâmicas, pleiteada como privilégio de invenção. Esse número de esferas cerâmicas que os dispositivos de usinagem podem usinar simultaneamente depende, portanto, do diâmetro das esferas sendo usinadas, que são separadas pela gaiola separadora de esferas, também projetada em função dos diâmetros das esferas cerâmicas. Para cada diâmetro de esfera usinado em qualquer das etapas, são utilizados rebolos de cortes, rebolos arrastadores, gaiolas separadoras e suportes com dimensões e especificações correspondentes aos diâmetros das esferas e às etapas de usinagem, ou seja, a retificação em verde ou retificação após sinterização ou lapidação ou polimento, cujo número de esferas produzidas pode atingir até 120 esferas cerâmicas de cada vez, em função de seu diâmetro.[011] The ceramic ball generator can serially produce a varied number of ceramic balls in two ways: using a single machine with four sequential machining units or four machines each with its specific unit (green grinding or grinding after sintering or lapping or polishing) of machining the ceramic spheres. The four machining units can each receive a defined number of ceramic balls, which can be varied with diameter dimensions between 6.0mm to 76.00mm and base and height dimensions that do not exceed 400.0 and 350.0 mm, respectively, giving it the characteristic of a mini-machine for generating ceramic spheres, claimed as an invention privilege. This number of ceramic balls that the machining devices can machine simultaneously therefore depends on the diameter of the balls being machined, which are separated by the ball separator cage, also designed as a function of the diameters of the ceramic balls. For each ball diameter machined in any of the stages, cutting wheels, driving wheels, separator cages and supports are used with dimensions and specifications corresponding to the ball diameters and machining steps, i.e. grinding in green or grinding after sintering. or lapping or polishing, whose number of spheres produced can reach up to 120 ceramic spheres at a time, depending on their diameter.
[012] Para garantir a qualidade dos produtos produzidos pela geradora de esferas de cerâmicas, ela foi projetada com características estruturais de alta precisão para máquina ferramenta e utiliza mancais especiais para não permitir a ocorrência de vibrações durante o processo de usinagem que dificultam a obtenção de produtos com boa qualidade superficial, dimensional e de forma. A geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais desta proposta garante a usinagem de componentes cerâmicos esféricos com precisão submicrométrica, antes e após a sua sinterização, pois são investigadas intensamente todas as fases do projeto, particularmente as relativas aos elementos estruturais da máquina, os materiais utilizados na sua fabricação, os mancais especiais empregados e os sistemas de acionamento dos eixos, que garantem a precisão submicrométrica do produto obtido.[012] To ensure the quality of the products produced by the ceramic ball generator, it was designed with high precision structural characteristics for machine tools and uses special bearings to prevent vibrations occurring during the machining process that make it difficult to obtain products with good surface, dimensional and shape quality. The ceramic sphere generator for synovial joint resurfacing arthroplasties of this proposal guarantees the machining of spherical ceramic components with submicrometer precision, before and after their sintering, as all phases of the project are intensively investigated, particularly those relating to the structural elements of the machine, the materials used in its manufacture, the special bearings used and the axle drive systems, which guarantee the submicrometric precision of the product obtained.
[013] A figura IA mostra uma representação em perspectiva de uma esfera de cerâmica prensada uniaxialmente em prensa biaxial.[013] Figure IA shows a perspective representation of a ceramic sphere pressed uniaxially in a biaxial press.
[014] A figura 1B mostra uma representação em perspectiva de uma esfera de cerâmica prensada isostaticamente em prensa isostática de alta pressão.[014] Figure 1B shows a perspective representation of a ceramic sphere isostatically pressed in a high pressure isostatic press.
[015] A figura 2 mostra um esquema do principio de usinagem de esferas cerâmicas prensadas de forma axial e/ou isostaticamente entre rebolos e arrastadores concêntricos e/ou excêntricos girando no mesmo sentido e/ou em sentidos contrários.[015] Figure 2 shows a schematic of the principle of machining ceramic balls pressed axially and/or isostatically between grinding wheels and concentric and/or eccentric drives rotating in the same direction and/or in opposite directions.
[016] A figura 3A mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de retificação em verde das esferas cerâmicas.[016] Figure 3A shows a representation of the front view in cut of the grinding unit in green of the ceramic spheres.
[017] A figura 3B mostra uma representação da vista superior da gaiola separadora com esferas cerâmicas prensadas de forma axial e/ou isostaticamente em processo de usinagem em verde.[017] Figure 3B shows a representation of the top view of the separator cage with ceramic balls pressed axially and/or isostatically in the machining process in green.
[018] A figura 4A mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de retificação após a sinterização das esferas cerâmicas.[018] Figure 4A shows a representation of the sectional front view of the grinding unit after sintering the ceramic spheres.
[019] A figura 4B mostra uma representação da vista superior da gaiola separadora com esferas cerâmicas em processo de usinagem após a sinterização.[019] Figure 4B shows a representation of the top view of the separator cage with ceramic balls in the machining process after sintering.
[020] A figura 5A mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de lapidação das esferas[020] Figure 5A shows a representation of the front view in cut of the ball lapping unit
[021] A figura 5B mostra uma representação da vista superior da gaiola separadora com esferas cerâmicas em processo de lapidação.[021] Figure 5B shows a representation of the top view of the separator cage with ceramic spheres in the lapping process.
[022] A figura 6A mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de polimento das esferas cerâmicas.[022] Figure 6A shows a representation of the sectional front view of the ceramic sphere polishing unit.
[023] A figura 6B mostra uma representação da vista superior da gaiola separadora com esferas cerâmicas em processo de polimento.[023] Figure 6B shows a representation of the top view of the separator cage with ceramic balls in the polishing process.
[024] A figura 7 mostra uma representação da vista lateral da geradora de esferas cerâmicas com a sua unidade de usinagem em verde em operação.[024] Figure 7 shows a representation of the side view of the ceramic ball generator with its green machining unit in operation.
[025] A figura 8 mostra uma representação da vista lateral da geradora de esferas cerâmicas com a sua unidade de usinagem em verde fora de operação para colocação e retirada de esferas durante esse processo de usinagem.[025] Figure 8 shows a representation of the side view of the ceramic ball generator with its machining unit in green out of operation for placement and removal of balls during this machining process.
[026] A figura 9 mostra uma representação da vista lateral da geradora de esferas cerâmicas com a sua unidade de usinagem após a retificação em operação.[026] Figure 9 shows a representation of the side view of the ceramic ball generator with its machining unit after grinding in operation.
[027] A figura 10 mostra uma representação da vista frontal da geradora de esferas cerâmicas com a sua unidade de usinagem após a sinterização fora de operação para colocação e retirada de esferas durante esse processo de usinagem.[027] Figure 10 shows a representation of the front view of the ceramic ball generator with its machining unit after sintering out of operation for placement and removal of balls during this machining process.
[028] A figura 11 mostra uma representação da vista superior da geradora de esferas cerâmicas com a sua unidade de usinagem após a sinterização fora de operação.[028] Figure 11 shows a representation of the top view of the ceramic ball generator with its machining unit after sintering out of operation.
[029] A figura 12 mostra uma representação da vista inferior da geradora de esferas cerâmicas.[029] Figure 12 shows a representation of the bottom view of the ceramic sphere generator.
[030] A figura 13A mostra uma representação da vista frontal em corte da parte inferior da unidade de retificação em verde da geradora de esferas cerâmicas.[030] Figure 13A shows a representation of the front view in cut of the lower part of the grinding unit in green of the ceramic ball generator.
[031] A figura 13B mostra uma representação da vista frontal em corte da parte superior da unidade de retificação em verde da geradora de esferas cerâmicas.[031] Figure 13B shows a representation of the front view in cut of the upper part of the grinding unit in green of the ceramic ball generator.
[032] A figura 13C mostra uma representação da vista lateral em corte da geradora de esferas cerâmicas sem unidades de usinagem.[032] Figure 13C shows a representation of the side view in section of the ceramic ball generator without machining units.
[033] A figura 14A mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de retificação em verde das esferas cerâmicas e de como ela é acoplada à geradora de esferas cerâmicas.[033] Figure 14A shows a representation of the front view in cut of the grinding unit in green of the ceramic spheres and how it is coupled to the generator of ceramic spheres.
[034] A figura 14B mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de retificação após a sinterização das esferas cerâmicas e de como ela é acoplada à geradora de esferas cerâmicas.[034] Figure 14B shows a representation of the sectional front view of the grinding unit after sintering the ceramic spheres and how it is coupled to the ceramic sphere generator.
[035] A figura 14C mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de lapidação das esferas cerâmicas e de como ela é acoplada à geradora de esferas cerâmicas.[035] Figure 14C shows a representation of the sectional front view of the ceramic sphere lapping unit and how it is coupled to the ceramic sphere generator.
[036] A figura 14D mostra uma representação da vista frontal em corte da unidade de polimento das esferas cerâmicas e de como ela é acoplada à geradora de esferas cerâmicas.[036] Figure 14D shows a representation of the sectional front view of the ceramic sphere polishing unit and how it is coupled to the ceramic sphere generator.
[037] A figura 14E mostra uma representação da vista lateral em corte da geradora de esferas cerâmicas pronta para receber as unidades de usinagem de esferas nos processos de retificação em verde, retificação após a sinterização, lapidação e polimento.[037] Figure 14E shows a representation of the side view in cut of the ceramic ball generator ready to receive the ball machining units in the green grinding, grinding after sintering, lapping and polishing processes.
[038] A figura 15A mostra uma representação da vista frontal em corte da estrutura metálica sanduiche da geradora de esferas cerâmicas.[038] Figure 15A shows a representation of the sectional front view of the sandwich metal structure of the ceramic sphere generator.
[039] A figura 15B mostra uma representação da vista superior em corte da estrutura metálica sanduiche da geradora de esferas cerâmicas.[039] Figure 15B shows a representation of the top view in section of the sandwich metallic structure of the ceramic sphere generator.
[040] A geradora de esferas de cerâmicas para usinar esferas de cerâmicas prensadas axialmente (01) e/ou esferas de cerâmicas prensadas isostaticamente (02), conforme pode ser vista nas figuras 7, 8, 9, 10 11 e 12, compreende os seguintes elementos: uma base ou estrutura de granito sintético (26) ou similar sobre pés amortecedores (85) , que pode ser montada em uma bancada ou estrutura metálica (86/87) apropriada, também sobre pés amortecedores (85/88); unidades de usinagem constituídas de um cabeçote motorizado superior e de um par inferior de mesas rotativas (08 e 10) com rebolos e/ou arrastadores (15,16) e gaiola separadora (17).[040] The ceramic sphere generator to machine axially pressed ceramic spheres (01) and/or isostatically pressed ceramic spheres (02), as can be seen in figures 7, 8, 9, 10 11 and 12, comprises the following elements: a base or structure of synthetic granite (26) or similar on damping feet (85), which can be mounted on a suitable metal bench or structure (86/87), also on damping feet (85/88); machining units consisting of an upper motorized head and a lower pair of rotary tables (08 and 10) with grinding wheels and/or feeders (15,16) and separator cage (17).
[041] As unidades de usinagem compreendem: uma unidade de usinagem constituída de um cabeçote motorizado superior com rebolo (14) contido no porta rebolo (07) do cabeçote de usinagem para retificação em verde, conforme ilustram as figuras 3A e 3B, para as esferas de cerâmicas prensadas axialmente (01) e/ou isostaticamente (02); uma unidade de usinagem constituída de um cabeçote motorizado superior com rebolo (14) contido no porta rebolo (07) do cabeçote de usinagem para retificação após a sinterização, conforme ilustram as figuras 4A e 4B, para as esferas de cerâmicas (30) já retificadas em verde e sinterizadas; uma unidade de usinagem constituída de um cabeçote motorizado superior com conjunto lapidador (32, 31) para lapidação após a retificação, conforme ilustram as figuras 5A e 5B, para as esferas de cerâmicas (33) já retificadas após a sinterização; e uma unidade de usinagem constituída de um cabeçote motorizado superior com conjunto polidor (32, 36) para polimento após a lapidação, conforme ilustram as figuras 6A e 6B, para as esferas de cerâmicas (38) já lapidadas.[041] The machining units comprise: a machining unit consisting of an upper motorized head with grinding wheel (14) contained in the grinding wheel holder (07) of the machining head for grinding in green, as illustrated in figures 3A and 3B, for the axially pressed ceramic spheres (01) and/or isostatically (02); a machining unit consisting of an upper motorized head with grinding wheel (14) contained in the grinding wheel holder (07) of the machining head for grinding after sintering, as illustrated in figures 4A and 4B, for the ceramic balls (30) already ground in green and sintered; a machining unit consisting of an upper motorized head with a lapping set (32, 31) for lapping after grinding, as shown in figures 5A and 5B, for ceramic spheres (33) already ground after sintering; and a machining unit consisting of an upper motorized head with polishing set (32, 36) for polishing after lapping, as shown in figures 6A and 6B, for the ceramic spheres (38) already lapped.
[042] A unidade de usinagem em verde é ilustrada simplificadamente nas figuras 3A e 3B. As esferas cerâmicas prensadas axial (01) ou isostaticamente (02), para produzir esferas para próteses cirúrgicas de recapeamento de quadril (05), conforme ilustra figura 2, não têm a forma perfeitamente esférica e trazem rebordos resultantes do processo de prensagem axial (03) ou do processo de prensagem isostática (04). A unidade de usinagem, conforme esquematizada na figura 2, pode receber esferas para serem usinadas a partir da usinagem em verde de prensadas axial (01) ou isostaticamente (02); as esferas são depositadas em mesas rotativas (08 e 10) concêntricas que dispõem de rebolos e/ou arrastadores (15,16) e ficam individualmente separadas por uma gaiola separadora (17) durante todo o processo de usinagem; no caso de usinagem em verde, as esferas são usinadas pela ação do rebolo (14) contido no porta rebolo (07) do cabeçote de usinagem.[042] The machining unit in green is illustrated simply in figures 3A and 3B. The axially (01) or isostatically (02) pressed ceramic spheres to produce spheres for surgical hip resurfacing prostheses (05), as shown in Figure 2, do not have a perfectly spherical shape and have edges resulting from the axial pressing process (03 ) or the isostatic pressing process (04). The machining unit, as schematized in figure 2, can receive balls to be machined from the green machining of axial (01) or isostatic (02) pressings; the balls are deposited on concentric rotary tables (08 and 10) that have grinding wheels and/or feeders (15,16) and are individually separated by a separator cage (17) throughout the machining process; in the case of machining in green, the balls are machined by the action of the grinding wheel (14) contained in the grinding wheel holder (07) of the machining head.
[043] A unidade de usinagem após a sinterização é ilustrada simplificadamente nas figuras 4A e 4B. As esferas cerâmicas já sinterizadas (30), para produzir esferas para próteses cirúrgicas de recapeamento de quadril (05). A unidade de usinagem de retificação pode receber esferas para serem usinadas após a sinterização; as esferas (30) são depositadas em mesas rotativas (08 e 10) concêntricas que dispõem de rebolos e/ou arrastadores (15,16) e ficam individualmente separadas por uma gaiola separadora (17) durante todo o processo de usinagem; no caso de usinagem após a sinterização, as esferas são usinadas pela ação do rebolo (14) contido no porta rebolo (07) do cabeçote de usinagem, que dispõe de características especiais para usinagem de cerâmicas sinterizadas.[043] The machining unit after sintering is illustrated simply in figures 4A and 4B. Ceramic spheres already sintered (30), to produce spheres for surgical hip resurfacing prostheses (05). The grinding machining unit can receive balls to be machined after sintering; the balls (30) are deposited on concentric rotary tables (08 and 10) that have grinding wheels and/or feeders (15,16) and are individually separated by a separator cage (17) during the entire machining process; in the case of machining after sintering, the balls are machined by the action of the grinding wheel (14) contained in the grinding wheel holder (07) of the machining head, which has special characteristics for machining sintered ceramics.
[044] As usinagens em verde e após a sinterização acontecem através da ação do rebolo (14) e rebolos e/ou arrastadores (15,16), que produzem movimentos rotativos aleatórios, com diferente valor de rotação (20) de cada eixo (velocidade tangencial de usinagem/arrastamento), da combinação de sentidos de rotação (20), e do valor da excentricidade (19) dos eixos de rotação. A rotação (20) de cada eixo pode, portanto, ter qualquer valor e sentido proporcionado pelo motor (51) elétrico convencional do cabeçote.[044] The machining in green and after sintering takes place through the action of the grinding wheel (14) and grinding wheels and/or feeders (15,16), which produce random rotating movements, with different rotation value (20) of each axis ( tangential machining/dragging speed), the combination of rotation directions (20), and the eccentricity value (19) of the rotation axes. The rotation (20) of each axis can therefore have any value and direction provided by the conventional electric motor (51) of the head.
[045] 0 cabeçote de cada usinagem é acionado através de motor elétrico (51) convencional com rotação (20) nos dois sentidos, montado em um espaçador (50) metálico com aberturas para a regulagem do acoplamento (28) entre eixos, com chavetas (27) entre o eixo (52) do motor e o eixo (09) do cabeçote rotativo de usinagem. O motor (51) e o espaçador (50) são fixados com parafusos (13) do tipo Allen ou similar no corpo (2 9) principal do cabeçote de usinagem, que dispõe de pinos (62) de articulação e acoplamento à barra de carga porta-ferramenta (65) da unidade da respectiva usinagem.[045] The head of each machining is driven by a conventional electric motor (51) with rotation (20) in both directions, mounted on a metallic spacer (50) with openings for adjusting the coupling (28) between axes, with keys (27) between the axis (52) of the motor and the axis (09) of the rotating machining head. The motor (51) and the spacer (50) are fixed with screws (13) of the Allen type or similar in the main body (29) of the machining head, which has pins (62) for articulation and coupling to the load bar. tool holder (65) of the respective machining unit.
[046] O eixo (09) de rotação do cabeçote rotativo de cada usinagem gira sobre pares de mancais radiais (57) e pares de mancais axiais (54, 56 e 59, 60) aerostáticos, hidrostáticos ou de elementos rolantes, montados e fixados ao eixo (09) por flanges roscadas (54, 61) e ao corpo (29) principal do cabeçote por parafusos (13) do tipo Allen ou similar, respectivamente. Todo o conjunto do eixo de rotação é fixado no porta rebolo (07), através de parafusos (13) do tipo Allen ou similar, para constituir o conjunto rotativo do cabeçote da respectiva unidade de usinagem. Os mancais aerostáticos, hidrostáticos ou de elementos rolantes do cabeçote da unidade de usinagem são protegidos por labirintos ou vedações (53) contra a entrada de impurezas e residues da própria usinagem das esferas de cerâmica.[046] The axis (09) of rotation of the rotating head of each machining turns on pairs of radial bearings (57) and pairs of axial bearings (54, 56 and 59, 60) aerostatic, hydrostatic or rolling elements, mounted and fixed to the shaft (09) by threaded flanges (54, 61) and to the main body (29) of the head by screws (13) of the Allen type or similar, respectively. The entire set of the rotation axis is fixed to the grinding wheel holder (07), through screws (13) of the Allen type or similar, to constitute the rotating set of the head of the respective machining unit. The aerostatic, hydrostatic or rolling element bearings of the machining unit head are protected by labyrinths or seals (53) against the ingress of impurities and residues from the machining of the ceramic balls.
[047] O cabeçote de usinagem é um conjunto independente da respectiva unidade de usinagem que pode ser montado e desmontado facilmente da barra de carga porta- ferramenta (65) para colocação e retirada das esferas durante o processo de produção; os movimentos de abertura e afastamento do cabeçote da área de trabalho podem ser realizados manual ou automaticamente através do conjunto de içamento e carregamento proporcionado pela barra de carga porta-ferramenta (65) e do outro motor elétrico (70) convencional com rotação (74) nos dois sentidos e o fuso (73) de esferas recirculantes (75) acoplado à outra extremidade da barra de carga porta-ferramenta (65) através de pinos (76 e 77) de articulação e acoplamento proporcionando o içamento do cabeçote de usinagem para colocação e retirada das esferas durante o processo de produção e sempre que for necessário. 0 motor elétrico (70) que movimenta a barra de carga porta-ferramenta (65) para baixo (64) ou para cima (96), eleva e abaixa o cabeçote de usinagem na vertical, nos dois sentidos (90/91), e é montado na base superior (72) da coluna de granito sintético (67) através de um espaçador metálico (71) apropriado.[047] The machining head is an independent assembly of the respective machining unit that can be easily assembled and disassembled from the tool holder load bar (65) for placing and removing the balls during the production process; the opening and removal movements of the head from the work area can be carried out manually or automatically through the lifting and loading set provided by the tool holder load bar (65) and the other conventional electric motor (70) with rotation (74) in both directions and the spindle (73) of recirculating balls (75) coupled to the other end of the tool holder load bar (65) through pins (76 and 77) of articulation and coupling providing the lifting of the machining head for placement and removal of the spheres during the production process and whenever necessary. The electric motor (70) that moves the tool holder loading bar (65) down (64) or up (96), raises and lowers the machining head vertically, in both directions (90/91), and it is mounted on the upper base (72) of the synthetic granite column (67) through a suitable metallic spacer (71).
[048] As mesas rotativas concêntricas em conjunto suportam as esferas cerâmicas durante o processo de usinagem; elas são montadas em mancais aerostáticos, hidrostáticos ou de elementos rolantes; a mesa externa (10) é montada em pares de mancais radiais (98) e axiais (43,44); a mesa interna (08) é também montada em pares de mancais radiais (41) e axiais (40,42).[048] The concentric rotary tables together support the ceramic balls during the machining process; they are mounted on aerostatic, hydrostatic or rolling element bearings; the outer table (10) is mounted on radial (98) and axial (43,44) bearing pairs; the inner table (08) is also mounted on radial (41) and axial (40,42) bearing pairs.
[049] 0 conjunto das mesas rotativas concêntricas é montado na geradora de esferas de cerâmicas no alojamento apropriado da base (26) da máquina que dispõe de uma bucha guia (25) metálica integrada a essa base.[049] The set of concentric rotary tables is mounted on the ceramic ball generator in the appropriate housing of the base (26) of the machine, which has a metal guide bush (25) integrated into that base.
[050] A mesa rotativa externa (10) dispõe de uma mesa porta rebolo (06) , fixada à mesa rotativa externa (10) por parafusos (13) do tipo Allen ou similar, onde são montados os rebolos (15, 16) ou arrastadores das esferas durante a usinagem; nela (06) também é montada e fixada por parafusos (13) do tipo Allen ou similar, a gaiola separadora (17) das esferas cerâmicas durante a usinagem que dispõe de alojamentos individuais com as bordas protegidas por anéis (18) de polimero ou elastômero, para cada esfera, durante o processo de usinagem. A mesa rotativa externa (10) é acionada por um sistema constituido por um motor elétrico (78) com rotação (82) nos dois sentidos, um par de polias (22/94), uma polia extensora (92) e correia (95) tipo V. O motor elétrico (78) da mesa rotativa externa (10) é fixado à estrutura metálica (86) da geradora de esferas através de base metálica (84) e fica protegido por carenagem (81) de segurança.[050] The external rotary table (10) has a grinding wheel holder table (06), fixed to the external rotary table (10) by screws (13) of the Allen type or similar, where the grinding wheels (15, 16) or ball carriers during machining; in it (06) is also mounted and fixed by screws (13) of the Allen type or similar, the separating cage (17) of the ceramic balls during the machining that has individual housings with the edges protected by rings (18) of polymer or elastomer , for each ball, during the machining process. The external rotary table (10) is driven by a system consisting of an electric motor (78) with rotation (82) in both directions, a pair of pulleys (22/94), an extension pulley (92) and a belt (95) type V. The electric motor (78) of the external rotary table (10) is fixed to the metallic structure (86) of the ball generator through a metallic base (84) and is protected by a safety fairing (81).
[051] 0 par de mancais radiais (98) e o contramancal axial (44) da mesa rotativa externa (10) são montados em uma bucha guia (23) de montagem que facilita o manuseio e montagem da parte inferior (mesas rotativas concêntricas) da unidade de usinagem na base (26) da geradora de esferas de cerâmicas.[051] The pair of radial bearings (98) and the axial counter-bearing (44) of the external rotary table (10) are mounted on a mounting guide bush (23) that facilitates the handling and assembly of the lower part (concentric rotary tables) of the machining unit on the base (26) of the ceramic ball generator.
[052] A mesa rotativa externa (10) dispõe de manipulos (63) içadores que facilitam o seu manuseio durante a montagem/desmontagem da unidade de usinagem na mesa (26) da geradora de esferas de cerâmicas. Os mancais especiais (aerostáticos ou hidrostáticos ou de elementos rolantes) da unidade de usinagem são protegidos por labirintos (45, 48), tendo suas partes fixas parafusadas na estrutura da mesa (26) através de parafusos (13) do tipo Allen ou similar e as partes móveis proporcionadas pela estrutura da mesa rotativa externa (10); similarmente a mesa rotativa interna (08) dispõe de labirinto (46) protetor dos mancais, que impedem a entrada de residues de usinagem no ambiente operacional desses mancais.[052] The external rotary table (10) has handles (63) lifters that facilitate its handling during assembly/disassembly of the machining unit on the table (26) of the ceramic ball generator. The special bearings (aerostatic or hydrostatic or rolling elements) of the machining unit are protected by labyrinths (45, 48), having their fixed parts screwed to the table structure (26) through screws (13) of the Allen type or similar and the moving parts provided by the structure of the external rotary table (10); similarly, the internal rotary table (08) has a labyrinth (46) protecting the bearings, which prevent the entry of machining waste into the operating environment of these bearings.
[053] A mesa rotativa interna (08) suporta internamente as esferas cerâmicas durante a usinagem; ela dispõe de uma bucha-eixo (97) que recebe o carregamento dos mancais radiais (98) e os esforços da polia (22) de acionamento acoplada em sua extremidade, através de parafusos (13) do tipo Allen ou similar. A mesa rotativa interna (08) é acionada por um sistema constituído por um motor elétrico (79) com rotação (83) nos dois sentidos, um par de polias (21/80), uma polia extensora (93) e correia (89) tipo V. O motor elétrico (79) da mesa rotativa interna (08) é fixado à estrutura metálica (86) da geradora de esferas em base metálica (84) e fica protegido por carenagem (81) de segurança.[053] The internal rotary table (08) internally supports the ceramic balls during machining; it has an axle bushing (97) that receives the load from the radial bearings (98) and the efforts of the drive pulley (22) coupled at its end, through screws (13) of the Allen type or similar. The internal rotary table (08) is driven by a system consisting of an electric motor (79) with rotation (83) in both directions, a pair of pulleys (21/80), an extension pulley (93) and a belt (89) type V. The electric motor (79) of the internal rotary table (08) is fixed to the metallic structure (86) of the ball generator on a metallic base (84) and is protected by a safety fairing (81).
[054] A unidade de usinagem de lapidação dispõe de um conjunto lapidador (32, 31) para lapidação após a retificação e de um par inferior de mesas rotativas (08 e 10) com arrastadores (15,16) e gaiola separadora (17) para as esferas de cerâmicas (33) já retificadas após a sinterização.[054] The lapping machining unit has a lapping set (32, 31) for lapping after grinding and a lower pair of rotary tables (08 and 10) with feed dogs (15, 16) and separator cage (17) for the ceramic balls (33) already ground after sintering.
[055] A unidade de usinagem de polimento dispõe de um conjunto polidor (32, 36) para polimento após a lapidação e de um par inferior de mesas rotativas (08 e 10) com arrastadores (15,16) e gaiola separadora (17) para as esferas de cerâmicas (33) já retificadas após a sinterização.[055] The polishing machining unit has a polishing set (32, 36) for polishing after lapping and a lower pair of rotary tables (08 and 10) with feed dogs (15, 16) and separator cage (17) for the ceramic balls (33) already ground after sintering.
[056] 0 par de mancais radiais (41) e o contramancal axial (40) da mesa interna (08) são montados no corpo da mesa (08) e limitados dentro do limite operacional pela flange (47) do eixo (11) de rotação da mesa; a mesa interna (08) é fixada em seu eixo (11) de rotação através da porca e contraporca (39); o acionamento do eixo (11) de rotação da mesa interna é realizado através da polia (21) montada em sua extremidade por meio de chaveta (27), flange (24) e parafuso (13) do tipo Allen ou similar.[056] The pair of radial bearings (41) and the axial counter-bearing (40) of the inner table (08) are mounted on the body of the table (08) and limited within the operational limit by the flange (47) of the shaft (11) of table rotation; the inner table (08) is fixed on its axis (11) of rotation through the nut and locknut (39); the drive of the axis (11) of rotation of the internal table is carried out through the pulley (21) mounted at its end by means of a key (27), flange (24) and bolt (13) of the Allen type or similar.
[057] Foi previsto no projeto da geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais, o granito sintético como material alternativo para a construção da mesa da minimáquina. O granito sintético é um compósito convencional originado da mistura de resinas do tipo aradite e britas de granito natural de tamanhos pré-selecionados; esse material quando comparado aos tradicionais para estruturas de máquinas (ferro fundido, aço soldado), tem uma vantagem que reside na sua grande capacidade ao amortecimento aos choques e vibrações externas e principalmente as internas; quando comparado às estruturas de ferro fundido e aço soldado, as de granito sintético apresentam normalmente um fator de amortecimento de até oito vezes maior do que as metálicas (ferro fundido, aço soldado), o que o torna particularmente atraente para aplicações em máquinas ferramentas, no caso, a geradora de esferas de cerâmicas para recapeamento de extremidades ósseas de articulações sinoviais desta patente.[057] Synthetic granite as an alternative material for the construction of the mini-machine table was envisaged in the design of the ceramic sphere generator for synovial joint resurfacing arthroplasties. Synthetic granite is a conventional composite originated from a mixture of aradite-type resins and natural granite gravel of pre-selected sizes; this material, when compared to the traditional ones for machine structures (cast iron, welded steel), has an advantage that lies in its great capacity to dampen external shocks and vibrations, and especially internal ones; When compared to cast iron and welded steel structures, synthetic granite typically has a damping factor of up to eight times greater than metal (cast iron, welded steel), which makes it particularly attractive for machine tool applications, in this case, the ceramic ball generator for resurfacing bone ends of synovial joints of this patent.
[058] Foram adotados mancais do tipo aerostáticos cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais; mancais estes que podem também ser hidrostáticos ou de elementos rolantes. Essa escolha foi realizada pelo fato dos mancais aerostáticos serem indicados quando se deseja obter alta precisão, baixo atrito e repetibilidade de movimento; esses mancais, além de proporcionar alta rigidez e precisão de movimento, são indiferentes à variação de temperatura e possuem um nivel elevado de amortecimento interno, desgaste nulo e capacidade para suportar cargas radiais, axiais e combinadas. Devido a estas vantagens, os mancais aerostáticos são normalmente utilizados em máquinas ferramentas de precisão e máquinas especiais, como a geradora de esferas de cerâmica desta invenção, cujos mancais aerostáticos foram projetados com capacidades de carga radial e axial de 550,0 N e 1570,0 N, respectivamente.[058] Ceramic aerostatic type bearings were adopted for synovial joint resurfacing arthroplasties; bearings which can also be hydrostatic or with rolling elements. This choice was made due to the fact that aerostatic bearings are indicated when high precision, low friction and movement repeatability are desired; these bearings, in addition to providing high rigidity and movement precision, are indifferent to temperature variation and have a high level of internal damping, zero wear and ability to withstand radial, axial and combined loads. Due to these advantages, aerostatic bearings are commonly used in precision machine tools and special machines, such as the ceramic ball generator of this invention, whose aerostatic bearings were designed with radial and axial load capacities of 550.0 N and 1570, 0 N, respectively.
[059] O cabeçote de usinagem da geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais é montado em uma barra de carga porta-ferramenta (65) com movimento vertical e lateral; os dois movimentos combinados permitem a colocação e retirada das esferas de cerâmica nas mesas concêntricas rotativas durante qualquer das fases do processo de usinagem. O acionamento da barra de carga porta-ferramenta é proporcionado pela ação de um conjunto formado por um motor elétrico e um fuso de esferas recirculantes; esses movimentos podem também ser realizados por meio de acionamento pneumático, obtido através de circuito e cilindro rotativo pneumático, ou acionamento hidráulico, obtido através de circuito e cilindro rotativo hidráulico ou ainda acionamento através de servo motor; com acionamento hidro-pneumático, obtido através de circuito hidráulico conjugado a um circuito pneumático.[059] The machining head of the ceramic ball generator for synovial joint resurfacing arthroplasties is mounted on a tool holder load bar (65) with vertical and lateral movement; the two combined movements allow the placement and removal of ceramic balls on the concentric rotating tables during any of the phases of the machining process. The activation of the tool holder load bar is provided by the action of a set formed by an electric motor and a recirculating ball screw; these movements can also be performed by means of pneumatic actuation, obtained through a circuit and pneumatic rotating cylinder, or hydraulic activation, obtained through a circuit and hydraulic rotating cylinder or even actuation through a servo motor; with hydro-pneumatic drive, obtained through a hydraulic circuit combined with a pneumatic circuit.
[060] As unidades de usinagem da geradora de esferas de cerâmicas são compostas de três rebolos (14), sendo dois inferiores de arraste em canal "V" de eixos concêntricos, de usinagem ou de arraste, e um rebolo superior de usinagem que possui eixos excêntricos na faixa de 0 a 30,0 mm de excentricidade relativamente aos de arraste.[060] The machining units of the ceramic ball generator are composed of three grinding wheels (14), two of which are lower drag wheels in a "V" channel with concentric, machining or drag axes, and an upper machining wheel that has eccentric axes in the range of 0 to 30.0 mm of eccentricity relative to the drag axles.
[061] A geradora de esferas de cerâmicas permite a troca de- rebolos (14) de suas unidades de usinagem que possibilita a realização das quatro etapas de usinagem das esferas cerâmicas: retificação em verde, retificação após a sinterização, lapidação e polimento.[061] The ceramic ball generator allows the exchange of grinding wheels (14) of its machining units, which enables the performance of the four machining steps of the ceramic balls: grinding in green, grinding after sintering, lapping and polishing.
[062] A geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais dispõe de um circuito pneumático convencional de baixa pressão que tem como função alimentar com ar comprimido o cabeçote aerostático de usinagem e as mesas aerostáticas rotativas concêntricas que suporta as peças obras (esferas de cerâmicas), e o eventual sistema hidro-pneumático que aciona o movimento alternado da barra de carga porta- ferramenta (65), quando este sistema for opcionalmente utilizado.[062] The ceramic ball generator for synovial joint resurfacing arthroplasties has a conventional low pressure pneumatic circuit whose function is to feed the aerostatic machining head and the concentric rotating aerostatic tables that support the work pieces with compressed air ( ceramic spheres), and the eventual hydro-pneumatic system that activates the alternating movement of the tool holder load bar (65), when this system is optionally used.
[063] Quando eventualmente utilizado como opção para a movimentação da barra de carga porta-ferramenta (65) (porta cabeçote de usinagem) da geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais, o sistema hidro-pneumático tem como função proporcionar o movimento alternado da barra que suporta o cabeçote de usinagem. A possivel opção por este sistema de acionamento hibrido apresenta grande vantagem sobre os sistemas pneumático, ou hidráulico ou de fuso de esferas recirculantes, quando as forças envolvidas são pequenas e os deslocamentos necessitam de serem efetuados a baixas velocidades. Quando comparado aos sistemas hidráulicos convencionais, apresenta-se compacto e com a ausência de fontes de vibrações ou ruidos, além de apresentar baixo custo e de gerar movimentos suaves nos deslocamentos.[063] When eventually used as an option for moving the tool holder load bar (65) (machining head holder) of the ceramic ball generator for synovial joint resurfacing arthroplasties, the hydro-pneumatic system has the function of providing the reciprocating movement of the bar that supports the machining head. The possible option for this hybrid drive system presents a great advantage over pneumatic, hydraulic or recirculating ball screw systems, when the forces involved are small and the displacements need to be carried out at low speeds. When compared to conventional hydraulic systems, it is compact and has no sources of vibration or noise, in addition to being low cost and generating smooth movements in displacements.
[064] O controle lógico da máquina geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais é efetuado por um sistema elétrico convencional composto por chaves contatoras, microswitches, sinalizadores e botoeiras montadas em um painel de controle de fácil acesso.[064] The logical control of the ceramic ball-generating machine for synovial joint resurfacing arthroplasties is performed by a conventional electrical system composed of contactor switches, microswitches, flags and pushbuttons mounted on an easily accessible control panel.
[065] A geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais dispõe de um sistema de fluido de corte, indispensável para a usinagem de cerâmicas sinterizadas. Esse sistema é composto por um reservatório de fluido de corte, bomba e válvula de agulha para controle do fluxo de fluido de corte desejado sobre as peças obras (esferas cerâmicas) durante a usinagem; o fluido de corte utilizado para essa aplicação normalmente é composto por uma mistura de água e óleo solúvel com concentração de 5,0 %.[065] The ceramic sphere generator for synovial joint resurfacing arthroplasties has a cutting fluid system, indispensable for the machining of sintered ceramics. This system consists of a cutting fluid reservoir, pump and needle valve to control the desired flow of cutting fluid on the work pieces (ceramic balls) during machining; the cutting fluid used for this application is normally composed of a mixture of water and soluble oil with a concentration of 5.0%.
[066] O projeto da geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais de ossos longos foi realizado também focando a sua estabilidade dinâmica, através da minimização e eliminação de vibrações espúrias, de origens externas e ou internas, visando à precisão de usinagem de esferas cerâmicas na minimáquina. Para satisfazer esses quesitos a máquina dispõe de dois tipos de estruturas acopladas através de amortecedores (coxins) dinâmicos (85), elastoméricos ou pneumáticos. A mesa ou base (26) superior é constituída por uma estrutura de granito sintético de alto amortecimento interno, montada em uma estrutura de perfis de aço carbono, onde são acopladas, a cada vez, as quatro unidades independentes para as quatro etapas de usinagem das esferas cerâmicas: retificação em verde (01), retificação após a sinterização (30), lapidação (33) e polimento (38).[066] The design of the ceramic ball generator for resurfacing arthroplasties of synovial joints of long bones was also carried out focusing on its dynamic stability, through the minimization and elimination of spurious vibrations, from external and/or internal sources, aiming at the precision of machining of ceramic spheres in the mini-machine. To satisfy these requirements, the machine has two types of structures coupled through dynamic shock absorbers (85), elastomeric or pneumatic. The upper table or base (26) consists of a synthetic granite structure with high internal damping, mounted on a structure of carbon steel profiles, where the four independent units for the four machining steps of the ceramic spheres: grinding in green (01), grinding after sintering (30), lapping (33) and polishing (38).
[067] Cada uma das unidades de usinagem dispõe de duas mesas rotativas concêntricas, uma externa (10) e outra interna (08), com mancais especiais (aerostáticos ou hidrostáticos ou de elementos rolantes) onde as esferas cerâmicas em usinagem, separadas pela gaiola separadora (17), podem ser montadas sobre o rebolo ou arrastador (15,16) dessas mesas rotativas; as mesas rotativas concêntricas, uma externa (10) e outra interna (08) giram aleatoriamente no mesmo sentido ou sentido contrário com velocidades tangenciais iguais ou diferentes; apoiadas nas mesas, as esferas cerâmicas não se tocam durante a operação, porque ficam separadas pela gaiola separadora (17) da unidade de usinagem durante todo o processo de usinagem.[067] Each of the machining units has two concentric rotary tables, one external (10) and another internal (08), with special bearings (aerostatic or hydrostatic or rolling elements) where the ceramic balls being machined, separated by the cage separator (17), can be mounted on the grinding wheel or feeder (15,16) of these rotary tables; the concentric rotary tables, one external (10) and another internal (08) rotate randomly in the same or opposite direction with equal or different tangential speeds; supported on the tables, the ceramic balls do not touch during the operation, because they are separated by the separator cage (17) of the machining unit during the entire machining process.
[068] A base ou mesa (26) de granito sintético aloja uma coluna (66, 67, 68) também de granito sintético que suporta e movimenta o cabeçote de usinagem nela acoplado através de uma barra de carga porta-ferramenta (65), com articulação (69) e com movimento vertical e lateral; os dois movimentos combinados permitem a exposição das mesas rotativas concêntricas para a colocação das esferas para a usinagem e a sua retirada após a realização do processo; e a mesma absorve com eficácia, as vibrações internas durante o processo de usinagem que possam eventualmente influenciar a obtenção de produtos com alta qualidade superficial e dimensional. A estrutura (86/87) ou bancada inferior, conforme ilustram as figuras 7, 8, 9, 10, 15A e 15B, é constituída por uma configuração "sanduiche" de perfis tubulares de aço carbono soldados e preenchidos com granito sintético (99), apoiada em amortecedores (coxins) dinâmicos (85/88), elastoméricos ou pneumáticos que, em conjunto com a capacidade do granito sintético de absorver vibrações, lhe fornece um elevado grau de amortecimento interno das vibrações externas que possam eventualmente influenciar a precisão de usinagem das esferas cerâmicas (01, 02, 30, 33, 38).[068] The base or table (26) of synthetic granite houses a column (66, 67, 68) also of synthetic granite that supports and moves the machining head coupled to it through a tool-holding load bar (65), with articulation (69) and with vertical and lateral movement; the two combined movements allow the exposure of the concentric rotary tables for the placement of the balls for machining and their removal after the completion of the process; and it effectively absorbs internal vibrations during the machining process that may eventually influence the achievement of products with high surface and dimensional quality. The structure (86/87) or lower bench, as shown in figures 7, 8, 9, 10, 15A and 15B, consists of a "sandwich" configuration of welded carbon steel tubular profiles filled with synthetic granite (99) , supported by dynamic (85/88), elastomeric or pneumatic dampers (cushions) which, together with the synthetic granite's ability to absorb vibrations, provides it with a high degree of internal damping of external vibrations that may eventually influence the machining accuracy of the ceramic spheres (01, 02, 30, 33, 38).
[069] As unidades de usinagem que geram ou produzem as esferas de cerâmicas para artroplastias de recapeamento de articulações sinoviais de ossos longos foram projetadas focando duas possibilidades de utilização na máquina geradora de esferas cerâmicas: uma única máquina provida de quatro unidades sequenciais de usinagem, que podem ser montadas sequencialmente na máquina geradora de esferas cerâmicas, conforme ilustram as Figuras 14A a 14D, ou de quatro máquinas, cada uma com a sua unidade especifica (retificação em verde ou retificação após sinterização ou lapidação ou polimento) de usinagem correspondente à cada fase de geração ou produção das esferas cerâmicas (01, 02, 30, 33, 38), conforme exemplificam as Figuras 7 e 9. A produção seriada em massa de esferas de cerâmicas técnicas tem precisão submicrométrica com desvios de esfericidade menores que 0,5 μm e rugosidade superficial Ra inferior a 0,05 μm.[069] The machining units that generate or produce the ceramic spheres for resurfacing arthroplasties of synovial joints of long bones were designed focusing on two possibilities of use in the ceramic sphere generating machine: a single machine provided with four sequential machining units, that can be mounted sequentially on the ceramic ball-generating machine, as illustrated in Figures 14A to 14D, or on four machines, each with its specific machining unit (green grinding or grinding after sintering or lapping or polishing) of machining corresponding to each phase of generation or production of ceramic spheres (01, 02, 30, 33, 38), as exemplified in Figures 7 and 9. The serial mass production of technical ceramic spheres has submicrometer precision with sphericity deviations smaller than 0.5 μm and surface roughness Ra less than 0.05 μm.
[070] As quatro unidades de usinagem podem receber, cada uma em cada vez, um número definido de esferas cerâmicas, que pode ser variado com dimensões de diâmetro entre 6,0mm a 76,00mm e dimensões de base e altura que não ultrapassam 400,0 e 350,0 milímetros, respectivamente, lhe atribuindo a característica de minimáquina de geração de esferas cerâmicas, pleiteada como privilégio de invenção. Esse número de esferas cerâmicas que os dispositivos de usinagem podem usinar simultaneamente depende, portanto do diâmetro das esferas sendo usinadas, que são separadas pela gaiola separadora de esferas, também projetada em função dos diâmetros das qualquer das etapas, são utilizados rebolos de cortes, rebolos arrastadores, gaiolas separadoras e suportes com dimensões e especificações correspondentes aos diâmetros das esferas e às etapas de usinagem, ou seja, a retificação em verde ou retificação após sinterização ou lapidação ou polimento, cujo número de esferas produzidas pode atingir até 120 esferas cerâmicas de cada vez, em função de seu diâmetro.[070] The four machining units can each receive a defined number of ceramic balls, which can be varied with diameter dimensions between 6.0mm to 76.00mm and base and height dimensions that do not exceed 400 .0 and 350.0 mm, respectively, giving it the characteristic of a mini-machine for generating ceramic spheres, claimed as a privilege of invention. This number of ceramic balls that the machining devices can machine simultaneously depends, therefore, on the diameter of the balls being machined, which are separated by the ball separator cage, also designed according to the diameters of any of the stages, cutting wheels are used, carriers, separator cages and supports with dimensions and specifications corresponding to the diameters of the balls and the machining steps, that is, the grinding in green or grinding after sintering or lapping or polishing, whose number of balls produced can reach up to 120 ceramic balls of each time, depending on its diameter.
[071] A geradora de esferas de cerâmicas para artroplastias de articulações sinoviais, para acionar cada uma das suas quatro unidades de usinagem para a produção de esferas cerâmicas dispõe de três eixos acionados por motores elétricos convencionais com ajuste de rotação no intervalo de 150,0 a 750,0 rpm, nos sentidos horário e ou anti-horário. O principio gerador da máquina fundamenta-se na composição simultânea dos movimentos de três eixos acionados pelos motores elétricos: o eixo de rotação do cabeçote de usinagem sobre as peças-obras (esferas) e os eixos concêntricos das mesas rotativas que suportam as esferas cerâmicas através de rebolos e ou arrastadores.[071] The generator of ceramic spheres for arthroplasties of synovial joints, to drive each of its four machining units for the production of ceramic spheres, has three axes driven by conventional electric motors with rotation adjustment in the range of 150.0 at 750.0 rpm, clockwise or counterclockwise. The generating principle of the machine is based on the simultaneous composition of the movements of three axes driven by the electric motors: the axis of rotation of the machining head on the workpieces (balls) and the concentric axes of the rotary tables that support the ceramic balls through of grinding wheels and/or feeders.
[072] 0 cabeçote de usinagem (ou ferramenta de usinagem) é pressionado sobre as esferas de cerâmica nas mesas rotativas concêntricas através do movimento da barra de carga porta-ferramenta (65) que é efetuado por um sistema hidro-pneumático ou fuso de esferas recirculantes.[072] The machining head (or machining tool) is pressed onto the ceramic balls on the concentric rotary tables through the movement of the tool holder load bar (65) which is effected by a hydro-pneumatic system or ball screw recirculating.
[073] A geradora de esferas de cerâmicas é utilizada para a geração, retificação, lapidação e polimento de esferas de cerâmicas técnicas (alumina, zircônia, compósitos cerâmicos e similares) para aplicações em geral como mancais de elementos rolantes, instrumentos (two ball bar) de calibração de máquinas e medir a três coordenadas, esferas padrão de medidores de circularidade e, preferencialmente, esferas e acetábulos para próteses cirúrgicas de artroplastia de recapeamento de articulações sinoviais esféricas de ossos longos em humanos e animais.[073] The ceramic ball generator is used for the generation, grinding, lapping and polishing of technical ceramic balls (alumina, zirconia, ceramic composites and the like) for general applications such as rolling element bearings, instruments (two ball bar ) of machine calibration and measure at three coordinates, standard spheres of circularity meters and, preferably, spheres and acetabulum for surgical prostheses for resurfacing arthroplasty of spherical synovial joints of long bones in humans and animals.
[074] Embora a invenção tenha sido amplamente descrita, é óbvio para aqueles versados na técnica que várias alterações e modificações podem ser feitas visando aprimoramento do projeto sem que as referidas alterações não estejam cobertas pelo escopo da invenção.[074] Although the invention has been extensively described, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications can be made to improve the design without said changes not being covered by the scope of the invention.
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