CN106363537B - 一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置及其方法，包括玻璃约束构件、红外窗口、计算机、红外线温度探测仪、电磁波加热矩阵、搅拌器、气膜泵、支撑架和电磁波控制器，玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道，仿形流道入口通过管道依次连接气膜泵、搅拌器和仿形流道出口，仿形流道通过红外窗口暴露在红外线温度探测仪下；电磁波加热矩阵安装在玻璃约束构件的另一侧；本发明通过在玻璃约束构件的侧面放置电磁波加热矩阵，增加磨粒流切削液的湍动能和速度，从而改善了整体加工的效果，使整体加工过程中中磨粒流的温度保持恒定，使类人工关节件表面加工质量更加的均匀。

Description

一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置及其方法

技术领域

本发明涉及磨粒流抛光加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置及其方法。

背景技术

人工关节是人们为挽救已失去功能的关节而设计的一种人工器官，它在人工器官中属于疗效最好的一种。人工关节的材料一般常用材料为金属合金，其中特种钛合金因其生物相容性、耐腐性、和弹性模量等与人体骨骼接近，适合于制造人工关节。人工关节表面质量决定了表面摩擦性质，粗糙度越大，表面微凸体发生接触几率增大，导致粘着磨损增大。而众所周知，钛合金加工工艺性差，难以切削。而钛合金人工关节由不同曲率的曲面组成，现有的精密加工技术难以适应曲率多变的曲面，人工关节仍然沿用效率低下的人工打磨。人工关节价格昂贵，已经难以满足市场的广泛需求。

磨粒流加工技术是现有的比较先进的进行人工关节打磨的技术，磨粒流加工技术是一种采用专用夹具对复杂模具型腔表面形成结构化流道，并采用磨粒与液体混合的流体磨料不断冲刷被加工表面的光整加工方法。在加工过程中，软性磨粒流在工件表面与约束模块构成的约束仿形流道中形成湍流流动，磨粒在湍流的带动下无序地撞击加工表面达到切削效应，这种抛光方法不仅克服了由于加工轮廓复杂、尺度细小带来的加工困难。流体加工方法是通基液驱动磨粒对工件表面进行微小的犁削。其微量切削能保证复杂曲面的位置和形状精度，防止造成加工零件表面出现加工变质层和亚表面损伤。

专利申请号为201110041218.8的“钛合金人工关节曲面湍流精密加工新方法及其专用装置”提供了一种局部覆盖约束式钛合金人工关节湍流精密加工的新方法，通过与待加工的假体形状相一致的配模，在人工关节假体外表面和配模内表面的流道内形成湍流，利用磨粒的微力微量切削的频繁作用实现表面的逐步光整。但是人工关节表面为复杂曲面，磨粒流流经人工关节表面拐点和奇点的突变点处时容易受阻，且越靠近曲面的地方，磨粒流的粘性阻尼减少了切向速度脉动，同时复杂曲面阻止了法向速度脉动，离开曲面稍微远点的区域，由于磨粒流平均速度梯度的增加，磨粒流的湍流动能迅速产生变化，使得抛光不均匀，难以达到理想的抛光效果。

在进行人工关节磨粒流抛光加工前，我们需要对湍流抛光情况进行模拟测试，但由于人工关节的成本较高，通常采用的是类人工关节件来模拟人工关节，通过磨粒流湍流抛光装置对类人工关节件的曲面进行抛光实验，通过实验结果来检验磨粒流抛光效果，从而制定抛光参数，实验完成后才会根据需要设定抛光参数，再对人工关节进行生产加工。类人工关节件是一种与人工关节结构非常相似的工件，因为需要模拟加工的主要是人工关节两端的曲面，为了简化模拟过程，实际实验中我们采用的类人工关节件的曲面是由一个平面弯曲而成的，与待加工曲面相连接的两个侧面呈平面状，整个待加工曲面呈波浪形，待加工曲面在侧面上的投影为一条曲线。

磨粒流加工是依靠磨粒流的湍流运动，带动磨粒对加工表面进行无序无规则的加工，所以磨粒流的湍流动能衡量磨粒流加工效果的一个关键因素。磨粒流的湍流总动能随时间的变化，湍流动能的变化是衡量湍流发展或衰退的指标。在加工过程中，随着磨粒与加工表面的碰撞，磨粒流的湍流动能会不断减少。针对这一问题，本发明提出了一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，通过温度控制对整个加工过程中磨粒流的湍流动能进行温度补偿，保证整个加工效果的均匀性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的类人工关节件湍流精密加工的过程中磨粒流的湍流总动能随时间的变化导致整个加工过程中加工效果的均匀性比较差的问题，提供了一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置及其方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，包括玻璃约束构件、红外窗口、计算机、红外线温度探测仪、电磁波加热矩阵、搅拌器、气膜泵、支撑架和电磁波控制器，所述玻璃约束构件套装在类人工关节件外，所述玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道，所述玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃约束构件的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口；所述仿形流道入口通过管道依次连接气膜泵、搅拌器和仿形流道出口，仿形流道、气膜泵和搅拌器通过管道构成磨粒流循环系统；所述红外窗口安装在所述玻璃约束构件的一侧，整个仿形流道通过红外窗口暴露在所述红外线温度探测仪下；所述电磁波加热矩阵安装在所述玻璃约束构件的另一侧，所述电磁波加热矩阵包括多个电磁波加热器，多个电磁波加热器分布的形状与仿形流道在类人工关节件侧面上的投影形状相同，每个电磁波加热器均安装在支撑架上，且每个电磁波加热器均正对所述仿形流道；所述电磁波加热矩阵中的每个电磁波加热器均与电磁波控制器电连接，电磁波控制器调节所述电磁波加热矩阵中所有电磁波加热器的电磁波强度；所述电磁波加热器包括加热源、凹透镜和凸透镜，每个加热源均正对凹透镜和凸透镜，加热源发出的电磁波依次经过凸透镜和凹透镜后发射到仿形流道内；所述电磁波控制器和红外线温度探测仪分别与计算机电连接。

进一步，所述电磁波加热器在仿形流道最凹处和最凸处的分布密集，并且其分布沿着仿形流道向仿形流道最凹处和最凸处的两侧逐渐变稀疏。

进一步的，所述电磁波加热矩阵内每个加热源均与电磁波控制器电连接且受到电磁波控制器的独立控制。

进一步的，红外线温度探测仪垂直于仿形流道内磨粒流流动方向设置。

进一步的，所述凹透镜和凸透镜在类人工关节件侧面上的投影形状与仿形流道在类人工关节件侧面上的投影形状相同。

一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工方法，通过将玻璃约束构件套装在类人工关节件外，在玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面之间形成厚度均匀的仿形流道，玻璃约束构件的两端设有仿形流道入口和仿形流道入口出口，将磨粒流以湍流状态经过仿形流道入口送入仿形流道中，再由仿形流道出口流出，通过仿形流道内磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件曲面的微力微量切削，在切削过程中利用设置在玻璃约束构件侧面正对所述仿形流道的电磁波加热矩阵对仿形流道内的磨粒流进行加热，电磁波加热矩阵沿仿形流道分布但分布密度不同，根据实际需要对仿形流道内不同位置的磨粒流进行温度补偿，进而控制仿形流道内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道不同位置的抛光效果保持均匀；在磨粒流抛光的过程中不停的使用红外线温度探测仪拍摄流道内的温度并绘制温度曲线，并根据该温度曲线通过电磁波控制器不断调节每个电磁波加热器，进而控制仿形流道内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道内不同位置的抛光效果。

进一步的，电磁波加热矩阵对仿形流道内不同位置的加热状态均不相同，补偿温度通过电磁波控制器设定指定位置加热源的波长来实现。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过类人工关节件曲面的仿形建立玻璃约束构件，玻璃约束构件与类人工关节件之间形成厚度均匀的磨粒流受控仿形流道，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，使研磨液以湍流状态进入仿形流道中，通过磨粒流中磨粒的无序运动来实现表面的微力微量切削，达到镜面级表面粗糙度，抛光精度高。

2、由于磨粒流在仿形流道中运动时存在沿程损失和水头损失，尤其在曲率较大的流道处损失最为严重，因此导致了类人工关节件表面加工效果呈区域化分布。由于磨粒流切削液粘度与温度之间的关系呈二次关系式，温度越高，磨粒流切削液粘度越小，流动性越好，磨粒流动能和速度就越高，湍流动能越高，加工效果就越明显，因此温度是影响磨粒流加工效果的最主要的因素。本发明通过在玻璃约束构件的侧面放置电磁波加热矩阵，增加磨粒流切削液的湍动能和速度，补偿仿形流道内磨粒流的沿程损失和水头损失，从而改善了整体加工的效果，使整体加工过程中中磨粒流的温度保持恒定，使类人工关节件表面加工质量更加的均匀。

3、本发明使用玻璃作为约束构件的制造材料，能有效的解决电磁波不能穿透非玻璃约束构件问题，且玻璃材质透明，有利于对磨粒流切削液流动状态的进行观察。

4、本发明电磁波加热矩阵内每个电磁波加热器的强度可调，且能通过调整凹透镜和凸透镜的位置来调节电磁波的聚光效果，能方便的调节其强度，穿透磨粒流切削液，而不过度溢出影响周边加工环境。

5、本发明将电磁波加热矩阵制造成仿形流道形状，可以有效的避免对类人工关节件加热，影响类人工关节件加工效果。因为类人工关节件表面温度上升，其表面的磨粒流切削液吸热膨胀后会上升运动，阻碍上层的磨粒流切削液下降，阻挡磨粒对类人工关节件表面的碰撞切削。

6、磨粒流在仿形流道内流动时从仿形流道的最凸处到最凹处是沿程损失区域，最凹处是局部损失区域，最凹处到最凸处是沿程损失区域，且沿程损失区域和局部损失区域能量损失的速度不相同，由流体力学可知，水流体粘度与温度二次方关系式成反比，雷诺数与粘度成反比关系式，而湍动能与雷诺数成一定关系，通过加热仿形流道磨粒流流体降低磨粒流流体粘度，可以补偿磨粒流流体湍动能和速度，降低沿程损失和局部损失对加工效果的影响。各个区域所需补偿的温度分布可以通过上述关系式估算出，可以发现在局部损失区能量损失最多损失速率最快；根据能量损失量和损失率，加热源由疏向密再由密向疏分布，采用电磁波加热器分布式加热，分别对各区域进行温度调控，提高加工的均匀性。

7、本发明通过在约束构件一侧安装红外窗口，透过红外窗口，红外线温度探测仪可以准确测的红外窗口区域的磨粒流流体温度，为接下来的温控提供精准的数据；电磁波加热源、电磁波控制柜、 计算机和红外线温度探测仪形成的控制封闭环，能够精准无误、快速有效的控制磨粒流流体的温度。

8、本发明通过红外温度探测仪可以有效的检测温度变化差值，有效的保护玻璃约束构件由于局部温差变化大导致断裂。

附图说明

图1是本发明一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置的结构示意图。

图2是本发明玻璃约束构件、电磁波加热矩阵和支撑架的结构示意图。

图3是本发明仿形流道的结构示意图。

图4是本发明电磁波加热矩阵的结构示意图。

图5是本发明单个加热源的工作状态示意图。

图中，1-计算机、2-玻璃约束构件、3-电磁波加热矩阵、4-支撑架、5-气膜泵、6-红外线温度探测仪、7-电磁波控制器、8-搅拌器、9-加热源、10-仿形流道、11-仿形流道出口、12-类人工关节件、13-仿形流道入口、14-凸透镜、15-凹透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1~5所示，一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，包括玻璃约束构件2、红外窗口、计算机1、红外线温度探测仪6、电磁波加热矩阵3、搅拌器8、气膜泵5、支撑架4和电磁波控制器7，所述玻璃约束构件2套装在类人工关节件12外，所述玻璃约束构件2的内表面与类人工关节件12的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道10，所述玻璃约束构件2由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃约束构件2的两端分别设有仿形流道入口13和仿形流道出口11；所述仿形流道入口13通过管道依次连接气膜泵5、搅拌器8和仿形流道出口11，仿形流道10、气膜泵5和搅拌器8通过管道构成磨粒流循环系统；所述红外窗口安装在所述玻璃约束构件2的一侧，整个仿形流道10通过红外窗口暴露在所述红外线温度探测仪6下；所述电磁波加热矩阵3安装在所述玻璃约束构件2的另一侧，所述电磁波加热矩阵3包括多个电磁波加热器，多个电磁波加热器分布的形状与仿形流道10在类人工关节件12侧面上的投影形状相同，每个电磁波加热器均安装在支撑架4上，且每个电磁波加热器均正对所述仿形流道10；所述电磁波加热矩阵3中的每个电磁波加热器均与电磁波控制器7电连接，电磁波控制器7调节所述电磁波加热矩阵3中所有电磁波加热器的电磁波强度；所述电磁波加热器包括加热源9、凹透镜15和凸透镜14，每个加热源9均正对凹透镜15和凸透镜14，加热源9发出的电磁波依次经过凸透镜14和凹透镜15后发射到仿形流道10内；所述电磁波控制器7和红外线温度探测仪6分别与计算机1电连接。

所述电磁波加热器在仿形流道10最凹处和最凸处的分布密集，并且其分布沿着仿形流道10向仿形流道10最凹处和最凸处的两侧逐渐变稀疏。

所述电磁波加热矩阵3内每个加热源9均与电磁波控制器7电连接且受到电磁波控制器7的独立控制。

红外线温度探测仪6垂直于仿形流道10内磨粒流流动方向设置。红外线温度探测仪6在工作时对仿形流道10内的温度进行监控并绘制温度变化曲线图，根据温度变化曲线图对电磁波加热矩阵3内每一个电磁波加热器进行强度调整，从而使温度变化曲线图逐渐趋向于平衡，使仿形流道10内的温度趋于恒定。

所述凹透镜15和凸透镜14在类人工关节件12侧面上的投影形状与仿形流道10在类人工关节件12侧面上的投影形状相同。凹透镜15和凸透镜14的形状与仿形流道10的形状相似；凹透镜15的两端较厚，中部较薄；凸透镜14的两端较薄，中部较厚。

加工开始时，磨粒流切削液进入搅拌器8内，通过搅拌器8将磨粒流切削液搅拌均匀，再通过气膜泵5将磨粒流切削液输入到仿形流道入口13中，然后经仿形流道10后从仿形流道出口11回流到搅拌器8中；与此同时，将电磁波加矩阵3通电，通过电磁波控制器7调节电磁波加热矩阵3内每一个电磁波加热器11的电磁波强度，使电磁波透过玻璃约束构件2只对仿形流道10内的磨粒流切削液进行加热。

本发明利用上述一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置进行加工的方法如下：通过将玻璃约束构件2套装在类人工关节件12外，在玻璃约束构件2的内表面与类人工关节件12的曲面表面之间形成厚度均匀的仿形流道10，玻璃约束构件2的两端设有仿形流道入口13和仿形流道入口13出口，将磨粒流以湍流状态经过仿形流道入口13送入仿形流道10中，再由仿形流道出口11流出，通过仿形流道10内磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件12曲面的微力微量切削，在切削过程中利用设置在玻璃约束构件2侧面正对所述仿形流道10的电磁波加热矩阵3对仿形流道10内的磨粒流进行加热，电磁波加热矩阵3沿仿形流道10分布但分布密度不同，根据实际需要对仿形流道10内不同位置的磨粒流进行温度补偿，进而控制仿形流道10内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道10不同位置的抛光效果保持均匀；在磨粒流抛光的过程中不停的使用红外线温度探测仪6拍摄流道内的温度并绘制温度曲线，并根据该温度曲线通过电磁波控制器7不断调节每个电磁波加热器，进而控制仿形流道10内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道10内不同位置的抛光效果。

电磁波加热矩阵3对仿形流道10内不同位置的加热状态均不相同，补偿温度通过电磁波控制器7设定指定位置加热源9的波长来实现。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，其特征在于：包括玻璃约束构件（2）、红外窗口、计算机（1）、红外线温度探测仪（6）、电磁波加热矩阵（3）、搅拌器（8）、气膜泵（5）、支撑架（4）和电磁波控制器（7），所述玻璃约束构件（2）套装在类人工关节件（12）外，所述玻璃约束构件（2）的内表面与类人工关节件（12）的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道（10），所述玻璃约束构件（2）由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃约束构件（2）的两端分别设有仿形流道入口（13）和仿形流道出口（11）；所述仿形流道入口（13）通过管道依次连接气膜泵（5）、搅拌器（8）和仿形流道出口（11），仿形流道（10）、气膜泵（5）和搅拌器（8）通过管道构成磨粒流循环系统；所述红外窗口安装在所述玻璃约束构件（2）的一侧，整个仿形流道（10）通过红外窗口暴露在所述红外线温度探测仪（6）下；所述电磁波加热矩阵（3）安装在所述玻璃约束构件（2）的另一侧，所述电磁波加热矩阵（3）包括多个电磁波加热器，多个电磁波加热器分布的形状与仿形流道（10）在类人工关节件（12）侧面上的投影形状相同，每个电磁波加热器均安装在支撑架（4）上，且每个电磁波加热器均正对所述仿形流道（10）；所述电磁波加热矩阵（3）中的每个电磁波加热器均与电磁波控制器（7）电连接，电磁波控制器（7）调节所述电磁波加热矩阵（3）中所有电磁波加热器的电磁波强度；所述电磁波加热器包括加热源（9）、凹透镜（15）和凸透镜（14），每个加热源（9）均正对凹透镜（15）和凸透镜（14），加热源（9）发出的电磁波依次经过凸透镜（14）和凹透镜（15）后发射到仿形流道（10）内；所述电磁波控制器（7）和红外线温度探测仪（6）分别与计算机（1）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，其特征在于：所述电磁波加热器在仿形流道（10）最凹处和最凸处的分布密集，并且其分布沿着仿形流道（10）向仿形流道（10）最凹处和最凸处的两侧逐渐变稀疏。

3.根据权利要求1所述的一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，其特征在于：所述电磁波加热矩阵（3）内每个加热源（9）均与电磁波控制器（7）电连接且受到电磁波控制器（7）的独立控制。

4.根据权利要求1所述的一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，其特征在于：红外线温度探测仪（6）垂直于仿形流道（10）内磨粒流流动方向设置。

5.根据权利要求1所述的一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工装置，其特征在于：所述凹透镜（15）和凸透镜（14）在类人工关节件（12）侧面上的投影形状与仿形流道（10）在类人工关节件（12）侧面上的投影形状相同。

6.一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工方法，其特征在于：通过将玻璃约束构件（2）套装在类人工关节件（12）外，在玻璃约束构件（2）的内表面与类人工关节件（12）的曲面表面之间形成厚度均匀的仿形流道（10），玻璃约束构件（2）的两端设有仿形流道入口（13）和仿形流道入口（13）出口，将磨粒流以湍流状态经过仿形流道入口（13）送入仿形流道（10）中，再由仿形流道出口（11）流出，通过仿形流道（10）内磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件（12）曲面的微力微量切削，在切削过程中利用设置在玻璃约束构件（2）侧面正对所述仿形流道（10）的电磁波加热矩阵（3）对仿形流道（10）内的磨粒流进行加热，电磁波加热矩阵（3）沿仿形流道（10）分布但分布密度不同，根据实际需要对仿形流道（10）内不同位置的磨粒流进行温度补偿，进而控制仿形流道（10）内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道（10）不同位置的抛光效果保持均匀；在磨粒流抛光的过程中不停的使用红外线温度探测仪（6）拍摄流道内的温度并绘制温度曲线，并根据该温度曲线通过电磁波控制器（7）不断调节每个电磁波加热器，进而控制仿形流道（10）内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道（10）内不同位置的抛光效果。

7.根据权利要求6所述的一种温控磨粒流类人工关节件曲面湍流加工方法，其特征在于：电磁波加热矩阵（3）对仿形流道（10）内不同位置的加热状态均不相同，补偿温度通过电磁波控制器（7）设定指定位置加热源（9）的波长来实现。