CN103522129A - 医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，能够有效解决现有加工设备无法满足钛合金微小零件的高精度要求的问题。医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，包括支架、设置在支架上的升降机构、设置在升降机构上与支架竖直滑动连接的超声波振动器、设置在超声波振动器上的磁流变液容器、设置在磁流变液容器上的至少一块永磁铁、设置在支架上部夹持待加工零件在磁流变液中做公自转运动的动力机构。本发明的优点是：通过磁流变液、工件公自转与超声振动共同作用同步实现医用钛合金微小件抛光，克服了现有抛光方法的不足和应用局限性，提高了抛光效率，系统构成及控制方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机。
背景技术
目前常用的抛光工艺有：电化学抛光、电解抛光、超声波抛光等，能有效的解决钛合金工件表面抛光难的问题，但它们却各自有着难以解决的技术缺点和不足。电化学抛光与电解抛光不受工件材料硬度和韧性的限制，但不易获得较高的加工精度，且加工时杂散腐蚀现象较严重。超声波抛光适合抛光各种硬脆材料，且抛光质量高，表面粗糙度可达Ra0.63～0.08μm，但超声波抛光只能用于加工非导电材料，而且受超声振幅和功率的限制，超声波抛光仅适于窄槽圆角、棱角等局部加工，大面积的抛光效率较低。
磁流变液是将微米尺寸的磁性颗粒分散于绝缘载液中形成的具有可控流变行为的悬浮液体，其流变特性随外加磁场变化而变化。磁流变液在未加磁场时流变特性与普通牛顿流体相似，当受到一定强度磁场作用时，在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，其表观粘度系数增加两个数量级以上，会变成类似“固体”的状态，一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。在磁场作用下的磁流变效应，使磁流变液体在液态和固态之间发生转换，具有可逆、可控、反应迅速的优点。磁流变液的剪切屈服应力比电流变液大一个数量级，而且磁流变液具有良好的动力学和温度稳定性，因此，与电流变液相比，应用范围更广范。
1992年白俄罗斯的Kordonski等人最早将磁流变技术应用于光学加工。1995年美国罗切斯特大学光学制造中心和Kordonski合作，将磁流变抛光技术应用到光学加工中，使熔石英球面元件表面粗糙度降低到0.8nm(RMS)，面形误差0.09μm，BK7非球面光学元件表面粗糙度降低到1nm(RMS)面形误差0.86μm。Kordonsk等人还将射流抛光技术与磁流变抛光技术相结合，发明了一种新的抛光方法，磁流变射流抛光，这种加工方式可以有效解决深凹面或内腔的抛光加工。
我国近年来对磁流变抛光技术也进行了研究，长春光学精密机械研究所等单位对磁流变抛光理论进行了探讨，研制了磁流变抛光设备，同时他们还和复旦大学合作研制出油基磁流变液，进行了磁流变抛光实验。哈尔滨工业大学研制了适合于磁流变抛光的水基磁流变液，在自制的磁流变抛光实验样机上，对光学玻璃、微晶玻璃等材料进行了抛光实验，初步研究了各抛光参数的影响，研究了抛光去除特性和面形控制技术。清华大学、国防科技大学研制了磁流变抛光设备。但这些都停留在实验研究阶段，尚未得到实际应用。
目前对钛合金的抛光法的研究，西北有色金属研究院自主设计开发出来一种新型医用β型钛合金，并对生物医用TLM钛合金毛细管的电化学抛光进行了研究。北京航空航天大学研究了钛合金的环保电化学抛光工艺。大连大学在电解抛光钛合金植入物的过程中引入功率超声波，研究并分析了功率超声波对电解抛光过程的作用及对抛光效果的影响。以上这些钛合金抛光法目前还在理论研究阶段，还没有在生产实践中得到大规模的应用。
虽然目前有一些可用于医用钛合金(如接骨板和接骨螺钉等)的传统抛光方法，但很难达到要求的加工效果，而且效率较低。一方面由于抛光区域的尺寸较小，这就要求抛光工具的尺寸也要相应减小，微型抛光工具的制造有一定困难，而且将抛光区域限制在很小的范围内在技术上也存在难度；另一方面，将尽可能多的游离磨料尽可能长时间地聚集在加工区域对提高抛光效率是极其重要的，然而由于抛光区域较小，游离磨料难以高密度地、长时间地局部集中在抛光工具和非球面的较小接触区域，因此很难达到预期的研抛加工效果。另外，还必须克服抛光中工具的磨损，提高抛光工具与非球面区域的贴覆性或柔顺性，以获得高质量的抛光表面。
要满足医用钛合金微小零件的高精度要求，并在此基础上力求提高抛光加工效率柔顺性，就必须在完善传统的精密加工方法的同时，寻找采用新原理的钛合金加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，能够有效解决现有加工设备无法满足钛合金微小零件的高精度要求的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，包括支架、设置在支架上的升降机构、设置在升降机构上与支架竖直滑动连接的超声波振动器、设置在超声波振动器上的磁流变液容器、设置在磁流变液容器上的至少一块永磁铁、设置在支架上部夹持待加工零件在磁流变液中做公自转运动的动力机构。
优选的，所述动力机构包括固定在支架顶部的调速电机、通过中轴与支架顶部转动连接的公转盘，所述公转盘与调速电机之间通过皮带传动，所述公转盘上方的中轴上还套有太阳齿轮，所述太阳齿轮旁均布有至少两个行星齿轮，所述公转盘上开有与行星齿轮的轮轴相适配的通孔，所述行星齿轮的轮轴向下穿过公转盘，所述行星齿轮的轮轴与公转盘的通孔之间设有滚动轴承，所述行星齿轮的轮轴下端设有夹持待加工零件的工件夹具；通过行星齿轮组件实现待加工零件的公转和自传，本机构结构简单，可靠性高。
优选的，所述磁流变液容器为顶部开口空心圆柱形，所述磁流变液容器底部设有向外的凸边，所述超声波振动器顶部设有与磁流变液容器底部接触的振动柱，所述磁流变液容器通过夹紧组件固定在超声波振动器上；
所述夹紧组件包括上盘体和下盘体，所述上盘体为中部开有与磁流变液容器相适配的上中心孔，所述上中心孔旁的上盘体上设有向上空心的上固定柱，所述上固定柱通过螺栓与磁流变液容器侧壁固定连接；
所述下盘体的中部开有与超声波振动器的振动柱相适配的下中心孔，所述下中心孔旁的下盘体上设有向下空心的下固定柱，所述下固定柱通过螺栓与振动柱固定连接；
所述上盘体、磁流变液的凸边、下盘体通过螺栓固定连接；能将磁流变液容器与超声波振动器紧密的连接在一起，确保振动效果。
优选的，所述超声波振动器固定在导轨盘上，所述支架上设有四个穿过导轨盘的导柱，所述导轨盘与导柱之间设有直线轴承；便于超声波振动器和磁流变液容器上下运动到合适的位置。
优选的，所述升降机构为手动液压千斤顶；方便控制，节约制造成本。
与现有技术相比，本发明的优点是：(1)通过磁流变液、工件公自转与超声振动共同作用同步实现医用钛合金微小件抛光，克服了现有抛光方法的不足和应用局限性，提高了抛光效率；
(2)将磁流变液和超声振动相结合，系统构成及控制方法简单，可解决复杂自由曲面钛合金成型小零件的表面光整加工问题；
(3)超声振动磁流变公自转复合抛光机磁场强度大、抛光去除率大，结构控制简单，加工方便，抛光效率高。
附图说明
图1为本发明医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机的结构示意图；
图2为本发明医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机中磁流变液容器与超声波振动器连接的结构示意图。
具体实施方式
参阅图1为本发明医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机的实施例，医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，包括支架1、设置在支架1上的手动液压千斤顶2、设置在手动液压千斤顶2上与支架1竖直滑动连接的超声波振动器3、设置在超声波振动器3上的磁流变液容器4、设置在磁流变液容器4上的均匀分布的四块永磁铁5、设置在支架上部夹持待加工零件在磁流变液中做公自转运动的动力机构。
所述动力机构包括固定在支架顶部的调速电机6、通过中轴7与支架顶部转动连接的公转盘8，所述公转盘8与调速电机6之间通过皮带传动，所述公转盘8上方的中轴7上还套有太阳齿轮9，所述太阳齿轮旁均布有至少两个行星齿轮10，所述公转盘8上开有与行星齿轮10的轮轴相适配的通孔，所述行星齿轮10的轮轴向下穿过公转盘8，所述行星齿轮10的轮轴与公转盘8的通孔之间设有滚动轴承11，所述行星齿轮10的轮轴下端设有夹持待加工零件的工件夹具12。
所述超声波振动器3固定在导轨盘19上，所述支架1上设有四个穿过导轨盘19的导柱20，所述导轨盘19与导柱20之间设有直线轴承。
如图2所示，所述磁流变液容器4为顶部开口空心圆柱形，所述磁流变液容器4底部设有向外的凸边13，所述超声波振动器3顶部设有与磁流变液容器4底部接触的振动柱14，所述磁流变液容器4通过夹紧组件固定在超声波振动器3上；
所述夹紧组件包括上盘体15和下盘体16，所述上盘体15为中部开有与磁流变液容器4相适配的上中心孔，所述上中心孔旁的上盘体15上设有向上空心的上固定柱17，所述上固定柱17通过螺栓与磁流变液容器4侧壁固定连接；
所述下盘体16的中部开有与超声波振动器3的振动柱14相适配的下中心孔，所述下中心孔旁的下盘体16上设有向下空心的下固定柱18，所述下固定柱18通过螺栓与振动柱14固定连接；
所述上盘体15、磁流变液的凸边13、下盘体16通过螺栓固定连接。
本装置中，永磁铁使磁流变液形成间隔状的毛刷，先将待加工医用钛合金微小件固定在工件夹具上，然后操作手动液压千斤顶使磁流变液容器升起，使医用钛合金微小件全部浸入磁流变液中，启动调速电机，调速电机通过皮带带动公转盘转动，公转盘使行星齿轮转动，此时行星齿轮除了绕太阳轮转动其自身也在自传，使得下部的医用钛合金微小件也在进行公转和自传，同时施加超声振动，使得链状毛刷与工件表面充分接触，可使工件表面抛光均匀，且抛光效率高，工作时采用永磁式环形间隔永磁体，可形成交替的“柔性研磨层”，保证了抛光的稳定性。
我们利用两组工件做实验，本项目组对此次实验采用以下步骤进行实验：
(1)将升降装置降至最低位置，在抛光容器中加入500ml磁流变液，在容器外围和内圈各贴上4块强力永磁铁；
(2)利用夹具将钛合金工件固定在工件轴上，然后将升降装置升高到某一位置，使工件完全浸没在磁流变抛光装置加工区域的磁流变液中；
(3)起动电机和超声振动器，按照需要调节电机主轴转速和加工时间；
(4)待机器停止后5分钟，将升降装置降至最低位置，取出工件，清洗后干燥保存，进行检测，并记录相关数据；
(5)整理试验台。
第一工件抛光加工前的表面粗糙度值Ra最大值为0.254μm，经过三次类似加工后，其表面粗糙度值Ra最小可加工至0.016μm；第二工件抛光加工前的表面粗糙度值Ra最大值为0.294μm，经过三次类似加工后，其表面粗糙度值Ra最小可加工至0.019μm。从实验获得的数据可看出，医用钛合金微小件经过抛光加工后，其表面表面粗糙度值Ra有了明显改善。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (5)
1.医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，其特征在于：包括支架(1)、设置在支架(1)上的升降机构、设置在升降机构上与支架(1)竖直滑动连接的超声波振动器(3)、设置在超声波振动器(3)上的磁流变液容器(4)、设置在磁流变液容器(4)上的至少一块永磁铁(5)、设置在支架上部夹持待加工零件在磁流变液中做公自转运动的动力机构。
2.如权利要求1所述的医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，其特征在于：所述动力机构包括固定在支架顶部的调速电机(6)、通过中轴(7)与支架顶部转动连接的公转盘(8)，所述公转盘(8)与调速电机(6)之间通过皮带传动，所述公转盘(8)上方的中轴(7)上还套有太阳齿轮(9)，所述太阳齿轮旁均布有至少两个行星齿轮(10)，所述公转盘(8)上开有与行星齿轮(10)的轮轴相适配的通孔，所述行星齿轮(10)的轮轴向下穿过公转盘(8)，所述行星齿轮(10)的轮轴与公转盘(8)的通孔之间设有滚动轴承(11)，所述行星齿轮(10)的轮轴下端设有夹持待加工零件的工件夹具(12)。
3.如权利要求1所述的医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，其特征在于：所述磁流变液容器(4)为顶部开口空心圆柱形，所述磁流变液容器(4)底部设有向外的凸边(13)，所述超声波振动器(3)顶部设有与磁流变液容器(4)底部接触的振动柱(14)，所述磁流变液容器(4)通过夹紧组件固定在超声波振动器(3)上；
所述夹紧组件包括上盘体(15)和下盘体(16)，所述上盘体(15)为中部开有与磁流变液容器(4)相适配的上中心孔，所述上中心孔旁的上盘体(15)上设有向上空心的上固定柱(17)，所述上固定柱(17)通过螺栓与磁流变液容器(4)侧壁固定连接；
所述下盘体(16)的中部开有与超声波振动器(3)的振动柱(14)相适配的下中心孔，所述下中心孔旁的下盘体(16)上设有向下空心的下固定柱(18)，所述下固定柱(18)通过螺栓与振动柱(14)固定连接；
所述上盘体(15)、磁流变液的凸边(13)、下盘体(16)通过螺栓固定连接。
4.如权利要求1所述的医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，其特征在于：所述超声波振动器(3)固定在导轨盘(19)上，所述支架(1)上设有四个穿过导轨盘(19)的导柱(20)，所述导轨盘(19)与导柱(20)之间设有直线轴承。
5.如权利要求1所述的医用钛合金微小件超声波磁流变复合抛光机，其特征在于：所述升降机构为手动液压千斤顶(2)。
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Denomination of invention: Ultrasonic Magnetorheological Compound Polishing Machine for Medical Titanium Alloy Miniature Parts Effective date of registration: 20221205 Granted publication date: 20160406 Pledgee: Industrial and Commercial Bank of China Limited Jinhua Branch Pledgor: CANWELL MEDICAL Co.,Ltd. Registration number: Y2022330003493 |
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