CN103100944A - 一种人工球关节加工机床及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工球关节加工机床及加工方法，包括床身和磨削系统，床身进一步包括主轴、卡盘和小刀板，卡盘安装在主轴上，卡盘用于装卡待加工的人工球关节，磨削系统安装在小刀板上，磨削系统进一步包括磨削主轴、磨削卡具和筒形砂轮，磨削卡具安装在磨削主轴上，磨削卡具用于装卡筒形砂轮，主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线位于同一水平面，两条连线之间的夹角为10度到80度。采用了本发明的技术方案，能够提高人工球关节加工效率，提供人工球关节的加工精度和表面质量。

Description

一种人工球关节加工机床及加工方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种人工球关节加工机床及加工方法。

背景技术

在生活中有许多领域需要高尺寸精度球形结构零件，如工业领域中球形阀门、医疗领域中的人工假体等，都会涉及到此类零件。此类零件的共同特征是都有部分为球体形状的结构，且对球体部分的尺寸精度要求都比较高。

实际上，要想加工出此类形状的零件难度并不大，难的是球形部分的尺寸精度及表面质量很难保证。特别是在医疗领域中，对此类零件的球形部分的尺寸精度及表面质量要求极其严格，例如人工髋关节假体中包含多个部分含有球形结构的零件，如股骨头、单极头、双极头等。

加工此类零件目前通常的做法是，首先利用车削对坯料进行粗加工，然后再精加工到设计尺寸。通常是以铣削的方式进行精加工，如常用的旋风铣，还有和旋风铣原理类似的加工中心数控机床。由于进行铣削加工时，首先要根据零件上球面部分直径的大小来调整铣刀的回转直径，再根据球面部分的形状来调整铣刀的角度，铣刀的自转是由与动力系统相连的分度头来进行驱动，且这种方式为单刃切削，因此这种加工方法不但生产效率低，且加工精度和表面粗糙度很难满足使用要求。

为了提高生产效率，曾经有的技术方案是增加铣刀数量，变为多个单刀的方法来提高切削加工效率。但是，变为多个单刀后，要将各个铣刀调整到合适的位置相当困难，大大增加了调整对刀的时间，这样不但没有提高效率，且使加工精度及表面粗糙度更加难以达到使用要求。

另外还有类似原理的数控加工中心来进行加工，首先其生产效率及成品合格率，也不尽理想；其次由于加工设备价格昂贵，使得机床维护及零件的加工成本大大提高，从而降低了产品的竞争力。

上述加工方法及其他部分加工方法中还有一共同存在的难题难以解决，就是球形零件上的球顶处的表面粗糙度很难达到使用要求，所有的表面粗糙度是由球形零件的球形回转半径最大处至球顶渐变，变得越来越差，也就是球形回转半径最大处相对最好，球顶处回转半径趋于零的位置相对最差。越靠近球顶此处总会有一高点或此处总会有一些切削加工纹路。这是回转形加工件共同存在的问题，球形回转零件球顶处尤为明显。因为对于回转形零件加工时，刀具切削时越靠近回转形零件的回转轴线，线速度越小，趋于零，切削效果越差。

发明内容

为了解决现有技术中生产效率低、加工精度及表面粗糙度低的问题，提出一种人工球关节加工机床及加工方法，能够提高人工球关节加工效率，提供人工球关节的加工精度和表面质量。

本发明采用以下技术方案：

一种人工球关节加工机床，包括床身和磨削系统，床身进一步包括主轴、卡盘和小刀板，卡盘安装在主轴上，卡盘用于装卡待加工的人工球关节，磨削系统安装在小刀板上，磨削系统进一步包括磨削主轴、磨削卡具和筒形砂轮，磨削卡具安装在磨削主轴上，磨削卡具用于装卡筒形砂轮，主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线位于同一水平面，两条连线之间的夹角为10度到80度。

主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线之间的夹角为40度到60度。

床身进一步还包括机床导轨、床鞍、轴向进给手轮、径复导轨、径复手动轮、径复托板和小刀板进给调节手轮，床鞍位于机床导轨上，轴向进给手轮位于床鞍和机床导轨之间，轴向进给手轮用于控制床鞍在床身的轴向运动，径复导轨固定在床鞍上，径复托板位于径复导轨上，径复手动轮位于径复导轨和径复托板之间，径复手动轮用于控制径复托板在床身的径向运动，小刀板进给调节手轮安装在小刀板上，小刀板通过旋转轴和锁紧螺母安装在径复托板上，并围绕旋转轴旋转。

磨削系统进一步还包括磨削主轴安装平台、电机平台支柱、电机安装平台、磨削驱动电机、磨削主轴皮带轮、磨削驱动电机主轴皮带轮和传动皮带，磨削主轴安装平台固定在小刀板上，磨削主轴安装平台用于安装磨削主轴，电机安装平台通过电机平台支柱固定在磨削主轴安装平台上方，磨削驱动电机安装在电机安装平台上，磨削主轴皮带轮位于磨削主轴上，磨削驱动电机主轴皮带轮位于磨削驱动电机主轴上，磨削主轴皮带轮与磨削驱动电机主轴皮带轮之间通过传动皮带传动。

一种人工球关节加工方法，包括以下步骤：

将待加工的人工球关节装卡与卡盘上；

将筒形砂轮装卡在磨削卡具上；

摇动轴向进给手轮，控制床鞍延着机床导轨轴向运动到预定位置；

摇动径复手动轮，控制径复托板沿着径复导轨径向运动到预定位置；

摇动小刀板进给调节手轮，旋转小刀板到预定角度；

启动磨削驱动电机，带动磨削主轴上的筒形砂轮旋转，对待加工的人工球关节进行加工。

旋转小刀板到预定角度中，所述预定角度使得主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线之间的夹角为10度到80度。

旋转小刀板到预定角度中，所述预定角度使得主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线之间的夹角为40度到60度。

根据待加工的人工球关节尺寸选择筒形砂轮。

采用了本发明的技术方案，具有以下技术效果：

1、操作简单、容易，与普通车床操作一样。

2、加工效率高。没有复杂的调整对刀，只需更换不同的筒形砂轮，比车床更换刀具还要容易，装上即可，不需要调整中心高等，本发明的机床经过试验，进行人工球关节的精加工时，可以达到每八小时150件左右，进口加工中心为每八小时可加工30件左右。

3、加工精度高，成品合格率高。本发明的机床加工的人工球关节的球面球度最低也可达≤0.01mm，通常均可达到≤0.005mm，完全满足国家行业标准YY 0118-2005髋关节假体中的要求，废品率极低。

4、表面质量高，粗糙度均匀一致。因为本发明的机床采用中空的筒形砂轮作为切削刀具，自身进行回转运动，待加工的人工球关节也做回转运动，且两者之间有一夹角，这样能使加工球体表面粗糙度均匀一致，因这样没有线速度趋于零的情况发生，线速度能保持均匀一致。

5、可以免去粗加工环节，直接由原材料开始进行加工，直接加工完成到设计尺寸，达到成品要求；也可以先用其他设备进行粗加工，用本发明的机床进行精加工。

6、零件加工成本低，无过多附件成本。本发明的机床不需要特殊日常维护，维护维修与普通车床无异。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中人工球关节加工机床的结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中人工球关节加工机床的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明具体实施方式中人工球关节加工机床的结构示意图。如图1所示，该人工球关节加工机床包括床身和磨削系统两个部分。

床身1进一步包括主轴2、卡盘3、小刀板进给调节手轮4、小刀板5、机床导轨9、床鞍10、轴向进给手轮7、径复导轨11、径复手动轮8和径复托板12。

卡盘安装在主轴上，卡盘用于装卡待加工的人工球关节6，床鞍位于机床导轨上，轴向进给手轮位于床鞍和机床导轨之间，轴向进给手轮用于控制床鞍在床身的轴向运动，径复导轨固定在床鞍上，径复托板位于径复导轨上，径复手动轮位于径复导轨和径复托板之间，径复手动轮用于控制径复托板在床身的径向运动，小刀板通过旋转轴和锁紧螺母安装在径复托板上，并围绕旋转轴旋转。

磨削系统安装在小刀板上，磨削系统进一步包括磨削主轴15、磨削卡具

16、筒形砂轮17、磨削主轴安装平台13、电机平台支柱18、电机安装平台20、磨削驱动电机22、磨削主轴皮带轮14、磨削驱动电机主轴皮带轮21和传动皮带19。

磨削卡具安装在磨削主轴上，磨削卡具用于装卡筒形砂轮，磨削主轴安装平台固定在小刀板上，磨削主轴安装平台用于安装磨削主轴，电机安装平台通过电机平台支柱固定在磨削主轴安装平台上方，磨削驱动电机安装在电机安装平台上，磨削主轴皮带轮位于磨削主轴上，磨削驱动电机主轴皮带轮位于磨削驱动电机主轴上，磨削主轴皮带轮与磨削驱动电机主轴皮带轮之间通过传动皮带传动。

图2是本发明具体实施方式中人工球关节加工机床的局部示意图。如图2所示，主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线位于同一水平面，两条连线之间的夹角a为10度到80度，通常为40度到60度。

使用该人工球关节加工机床加工人工球关节时，将待加工的人工球关节装卡与卡盘上，并将筒形砂轮装卡在磨削卡具上，摇动轴向进给手轮，控制床鞍延着机床导轨轴向运动到预定位置，摇动径复手动轮，控制径复托板沿着径复导轨径向运动到预定位置，摇动小刀板进给调节手轮，旋转小刀板到预定角度，启动磨削驱动电机，带动磨削主轴上的筒形砂轮旋转，对待加工的人工球关节进行加工。

下面详细描述该人工球关节加工机床的使用方法。

该人工球关节加工机床是在与普通车床类似的小刀板部位，按要求安装上特制的磨削系统。磨削系统中磨削驱动电机驱动磨削主轴回转，磨削主轴上装有磨削卡具，磨削卡具上安装筒形砂轮(切削刀具)，磨削主轴带动筒形砂轮回转进行切削。重点是安装磨削系统时确保磨削主轴及筒形砂轮的中心与机床主轴及待加工的人工球关节的中心高度相等(在平行于机床导轨的同一高度的同一平面内)；且磨削主轴及筒形砂轮的中心与机床主轴及待加工的人工球关节的中心有一个夹角a(在平行于机床导轨的同一高度的同一平面内相交)，该夹角最常用选择40°～60°，根据不同球体球面大小，以及切削刀具情况进行选择，通过扳动小刀板进行调整，可以取的范围10°～80°之间，即10°≤a≤80°。此夹角与中空的旋转筒形砂轮配合，使各处线速度都均匀一致，没有线速度趋于零的情况发生，从而就使球体表面粗糙度均匀一致，不会有高点及切削加工纹路出现。

小刀板安装于径复托板上，与径复托板之间有一旋转轴，小刀板可绕此轴做平面旋转，上有一锁紧螺母锁定旋转位置。磨削系统固定于小刀板上，所以调整小刀板与待加工的人工球关节间的角度，即为调整磨削主轴与机床主轴之间夹角。扳动小刀板调整磨削主轴与机床主轴之间的角度的方法与普通机床一样，松开小刀板与径复托板之间的锁紧螺母，扳动小刀板平面旋转至合适角度即可，然后拧紧锁紧螺母将小刀板位置固定。

径复托板的径向位置可以通过摇动径复手动轮使径复托板延径复导轨前后运动来改变，从而改变小刀板及磨削系统的径向位置，也就是通过调节径复手动轮来改变磨削主轴在机床上的径向位置。

径复导轨固定于床鞍上，摇动轴向进给手轮，使床鞍延机床导轨轴向运动，来改变床鞍在机床导轨上的位置，因磨削系统、小刀板、径复托板及径复导轨都在床鞍上，所以也就是通过调节轴向进给手轮来改变磨削主轴在机床上的轴向位置。

上述位置调整操作均与普通机床一致，不同的是，在加工时普通机床通过调整轴向进给手轮来完成对工件轴向切削，即改变工件的长短，通过调整径复手动轮来完成对工件径向切削，即改变工件的端面及粗细。

本机床在加工时，调整轴向进给手轮使磨削主轴至机床轴向合适位置，调整径复手动轮是磨削主轴至机床径向合适位置，调整小刀板进给调节手轮使磨削主轴延事先扳好的角度(磨削主轴与机床主轴之家夹角)方向前后运动，来完成对待加工的人工球关节的切削。由于筒形砂轮的形状及进给方向是延夹角的方向，所以这种切削使待加工的人工球关节的轴向及径向同时被进行切削，从而加工出来的表面即为球面，所以本机床只需通过调整小刀板进给调节手轮来控制所加工球体直径大小。

机床主轴上机床卡盘装卡待加工的人工球关节，带动待加工的人工球关节回转，磨削主轴装卡筒形砂轮(切削刀具)，带动筒形砂轮回转。筒形砂轮为本机床的切削刀具，其形状为中空圆柱筒形。在工作时，磨削主轴与机床主轴有一个夹角，因为砂轮为中空筒形，且做回转运动，由砂轮内孔去切削回转中的待加工的人工球关节，待加工的人工球关节被切削部位会自然形成球面，从而达到加工球体的需要，且可根据待加工的人工球关节的大小来选择筒形砂轮的大小，就能达到加工不同大小范围的球体需要。

将待加工的人工球关节装卡于机床卡盘上，并锁紧，将筒形砂轮(切削刀具)安装于磨削卡具，并锁紧，摇动轴向进给手轮调整床鞍使磨削主轴至机床轴向合适位置，调整径复手动轮使磨削主轴至机床径向合适位置，调整小刀板至合适角度(磨削主轴及筒形砂轮的中心与机床主轴及待加工的人工球关节中心的夹角a)进行加工，加工时只需要通过调整小刀板进给调节手轮，来控制对待加工的人工球关节切削量的大小，即球体的外径大小。

另外最方便的是也可以将床鞍固定，将径复托板位置固定，将小刀板角度位置固定，配合不同的工装卡具就可以完成对不同大小尺寸的有部分球形结构的待加工的人工球关节的加工，只需要更换不同尺寸的筒形砂轮即可，无需经常调整刀具与待加工的人工球关节之间的角度、径复托板及床鞍的位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种人工球关节加工机床，其特征在于，包括床身和磨削系统，床身进一步包括主轴、卡盘和小刀板，卡盘安装在主轴上，卡盘用于装卡待加工的人工球关节，磨削系统安装在小刀板上，磨削系统进一步包括磨削主轴、磨削卡具和筒形砂轮，磨削卡具安装在磨削主轴上，磨削卡具用于装卡筒形砂轮，主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线位于同一水平面，两条连线之间的夹角为10度到80度。

2.根据权利要求1所述的一种人工球关节加工机床，其特征在于，主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线之间的夹角为40度到60度。

3.根据权利要求1所述的一种人工球关节加工机床，其特征在于，床身进一步还包括机床导轨、床鞍、轴向进给手轮、径复导轨、径复手动轮、径复托板和小刀板进给调节手轮，床鞍位于机床导轨上，轴向进给手轮位于床鞍和机床导轨之间，轴向进给手轮用于控制床鞍在床身的轴向运动，径复导轨固定在床鞍上，径复托板位于径复导轨上，径复手动轮位于径复导轨和径复托板之间，径复手动轮用于控制径复托板在床身的径向运动，小刀板进给调节手轮安装在小刀板上，小刀板通过旋转轴和锁紧螺母安装在径复托板上，并围绕旋转轴旋转。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种人工球关节加工机床，其特征在于，磨削系统进一步还包括磨削主轴安装平台、电机平台支柱、电机安装平台、磨削驱动电机、磨削主轴皮带轮、磨削驱动电机主轴皮带轮和传动皮带，磨削主轴安装平台固定在小刀板上，磨削主轴安装平台用于安装磨削主轴，电机安装平台通过电机平台支柱固定在磨削主轴安装平台上方，磨削驱动电机安装在电机安装平台上，磨削主轴皮带轮位于磨削主轴上，磨削驱动电机主轴皮带轮位于磨削驱动电机主轴上，磨削主轴皮带轮与磨削驱动电机主轴皮带轮之间通过传动皮带传动。

5.一种人工球关节加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待加工的人工球关节装卡与卡盘上；

将筒形砂轮装卡在磨削卡具上；

摇动轴向进给手轮，控制床鞍延着机床导轨轴向运动到预定位置；

摇动径复手动轮，控制径复托板沿着径复导轨径向运动到预定位置；

摇动小刀板进给调节手轮，旋转小刀板到预定角度；

启动磨削驱动电机，带动磨削主轴上的筒形砂轮旋转，对待加工的人工球关节进行加工。

6.根据权利要求5所述的一种人工球关节加工方法，其特征在于，旋转小刀板到预定角度中，所述预定角度使得主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线之间的夹角为10度到80度。

7.根据权利要求6所述的一种人工球关节加工方法，其特征在于，旋转小刀板到预定角度中，所述预定角度使得主轴中心和待加工的人工球关节中心的连线与磨削主轴中心和筒形砂轮中心的连线之间的夹角为40度到60度。

8.根据权利要求5所述的一种人工球关节加工方法，其特征在于，根据待加工的人工球关节尺寸选择筒形砂轮。

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