CN106425875B - 一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，包括如下步骤：1)建立仿形流道；2)建立磨粒流的仿真模型；3)基于磨粒流的湍动能以及湍动能的沿程损失和局部损失计算出仿形流道所需要的温度补偿曲线：4)结合仿真模型得到磨粒流流道中的温度曲线；5)计算加热温度曲线；6)将仿形流道均分N段，N的范围为10～30；7)在仿形流道的侧面安装N个电磁波加热源；8)根据步骤5)中的加热温度曲线调节每个电磁波加热源3所对应的工作效率。本发明通过建立流体仿真模型得到加热温度曲线，实时直观的反映了仿形流道内磨粒流的温度变化，并通过加热温度曲线对电磁波加热源进行准确控制，从而保证加工过程的均匀性。

Description

一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法

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，尤其涉及一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法。

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。

在实际的人工关节抛光加工前，我们需要对湍流抛光情况进行模拟测试，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进行抛光实验，实验完成后才会对人工关节进行实际加工生产。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。采用磨粒流对人工关节进行加工的过程中，由于人工关节不同位置会产生不同的湍流损耗，因此在不同位置需要的不同的加工温度才能保证其加工的均匀性，由于高加工精度的限制，需要通过计算机来调节温度控制器，从而根据不同的流道位置，梯度的增加加工所需要的温度，进一步使流道内流体的粘度随温度梯度的改变，进一步梯度地增加磨粒流的湍动能，进一步补充磨粒流加工所消耗的能量。

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，提供了一种保证加工过程中磨粒流温度保持稳定的类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，包括如下步骤：

1)建立仿形流道；在类人工关节件外套装玻璃约束构件，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，玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，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，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流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类人工关节件表面的加工；

2)建立磨粒流的仿真模型；对仿形流道内的磨粒流进行流体仿真，通过流体仿真软件仿真出常温下磨粒流加工过程中，磨粒流流场的温度分布情况；

3)基于磨粒流的湍动能以及湍动能的沿程损失和局部损失计算出仿形流道所需要的温度补偿函数；

4)结合仿真模型得到磨粒流流道中的温度曲线；

5)计算所需要的加热温度曲线：计算方法为将温度补偿函数中的补偿温度减去磨粒流流道中温度曲线的温度；

6)将仿形流道均分N段，N的范围为10～30；

7)在仿形流道的侧面安装支撑架，仿形流道均分的每一段上均设置一个电磁波加热源，并将这些电磁波加热源固定在支撑架上，且所有电磁波加热源均正对仿形流道；

8)根据步骤5)中的加热温度曲线调节每个电磁波加热源所对应的工作效率。

进一步的，温度补偿函数的计算方法如下：

a)确定仿形流道内的磨粒流湍动能计算公式：

仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式，其计算公式为：

式中，u为磨粒流的平均速度，I为磨粒流的湍流强度，其中磨粒流的湍流强度I的计算公式为：

式中，Re为磨粒流的雷诺系数，Re的计算公式为：

式中，ρ为磨粒流的密度，d为水力直径，μ为磨粒流的粘度，μ的计算公式为如下：

式中，t为磨粒流的温度；

将雷诺系数Re的计算公式和粘度μ的计算公式代入湍流强度I的计算公式中，得到湍流强度I的公式计算如下：

将湍流强度I的公式代入湍动能h的公式中，得到湍动能的计算公式如下：

b)确定沿程损失：湍动能的沿程损失为需要克服摩擦阻力而损耗的湍动能，此摩擦阻力主要是流体与管壁及流体本身的内部摩擦组成；沿程损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比，采用达西一维斯巴赫公式计算，因此磨粒流湍流动能的沿程损失h₁的计算公式为：

式中，R—非圆管的水力半径；l为流体的运动路程；λ为阻力系数，λ的计算公式为：

c)确定局部损失：湍动能的局部损失为磨粒流湍流在弯头处进行方向变化而损耗的湍动能h_s，h_s的计算公式为：

式中，ξ为局部阻力系数，θ为弯管过渡角，d为弯管水力直径，k为弯管中线曲率半径，θ的计算公式为：

d)确定温度补偿函数：

湍动能损失总量△h＝hl+hs，

设常温为t₀时，湍动能计算公式h₀为：

设补偿温度后磨粒流温度为t_n，此时的湍动能h_n为：

则湍动能的差值为△h′＝hn-h0，为了保证加工的均匀性，令△h＝△h′，根据此等式建立温度与加工路径的关系式如下：

设常温为24℃，由此转换得到根据加工路径变化后的温度变化，即温度补偿函数T，其计算公式为：

进一步的，步骤4)中加热温度曲线的公式如下：

进一步的，步骤6)中N的最佳数量为20。

进一步的，通过电磁波加热源的电磁波波长来控制电磁波加热源的补偿温度，电磁波加热源的强度由加热温度曲线确定，根据人工关节的尺寸、种类和加工条件，计算出不同的湍动能的加热温度曲线，并根据加热温度曲线对每个电磁波加热源进行控制，该过程通过计算机来执行，实现湍动能的补偿。

进一步的，仿形流道的侧面还设有温度检测装置，所述温度检测装置正对玻璃约束构件并用于检测仿形流道内温度分布情况，所述温度检测装置与电磁波控制器电连接。

为了实现上述加工方法，本发明采用了如下的加工装置，包括玻璃约束构件、电磁波加热源、温度检测装置、支撑架、电磁波控制器和计算机，所述玻璃约束构件套装在人工关节外，所述玻璃约束构件的内表面与人工关节外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设有仿形流道入口和仿形流道出口；所述电磁波加热源安装在所述玻璃约束构件的一侧，所述电磁波加热源的形状与仿形流道的形状相同，电磁波加热源安装在支撑架上，电磁波加热源正对所述仿形流道；所述电磁波加热源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源的电磁波波长、电磁波强度大小和电磁波的聚集效果；所述温度检测装置正对所述玻璃约束构件并用于检测仿形流道内温度分布情况，所述温度检测装置与电磁波控制器电连接，电磁波控制器与计算机电连接。

本发明的有益效果在于：

1、本发明结构简单，便于生产，通过多个电磁波加热源分别对仿形流道内的各个位置进行加热，快速均匀地提高了温度，提高了加工效率，且无污染。

2、本发明利用采用计算机调节温度，精确度高，可靠性高；补偿磨粒流加工能量的损失，极大程度的提高了工件的加工质量及加工精度。

3、本发明通过人工关节曲面的仿形建立玻璃约束构件，玻璃约束构件与人工关节之间形成厚度均匀的磨粒流受控仿形流道，人工关节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。

4、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，因此导致了人工关节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源，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，使人工关节表面加工质量更加的均匀。

5、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。

6、本发明将电磁波加热源制造成仿形流道形状，可以有效的避免对人工关节加热，影响人工关节加工效果。因为人工关节表面温度上升，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，阻挡磨粒对人工关节表面的碰撞切削。

7、本发明通过建立流体仿真模型得到加热温度曲线，实时直观的反映了仿形流道内磨粒流的温度变化，并通过加热温度曲线对电磁波加热源进行准确控制，从而保证加工过程的均匀性。

附图说明

图1是本发明一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法的流程示意图。

图2是本发明类人工关节件的温度补偿函数图。

图3是本发明电磁波加热源的布置图。

图4是本发明加工装置的架构示意图。

图中，1-电磁波控制器、2-玻璃约束构件、3-电磁波加热源、4-支撑架、5-气膜泵、6-搅拌器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，本发明采用了如下的加工装置，包括玻璃约束构件2、电磁波加热源3、温度检测装置、支撑架4、电磁波控制器1、计算机、气膜泵5和搅拌器6，所述玻璃约束构件2套装在人工关节外，所述玻璃约束构件2的内表面与人工关节外表面形成厚度均匀的仿形流道，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的两端设有仿形流道入口和仿形流道出口；所述电磁波加热源3安装在所述玻璃约束构件2的一侧，所述电磁波加热源3的形状与仿形流道的形状相同，电磁波加热源3安装在支撑架4上，电磁波加热源3正对所述仿形流道；所述电磁波加热源3与电磁波控制器1电连接，电磁波控制器1调节所述电磁波加热源3的电磁波波长、电磁波强度大小和电磁波的聚集效果；所述温度检测装置正对所述玻璃约束构件2并用于检测仿形流道内温度分布情况，所述温度检测装置与电磁波控制器1电连接，电磁波控制器1与计算机电连接。仿形流道入口通过管道依次连接气膜泵5、搅拌器6和仿形流道出口，气膜泵5、搅拌器6和仿形流道通过管道构成磨粒流循环系统，磨粒流在气膜泵5、搅拌器6和仿形流道之间循环流动。

由上述装置进行的一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，包括如下步骤：

1)建立仿形流道；在类人工关节件外套装玻璃约束构件2，玻璃约束构件2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，玻璃约束构件2由壁厚相同的玻璃材料制成，玻璃约束构件2的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流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类人工关节件表面的加工；

2)建立磨粒流的仿真模型；对仿形流道内的磨粒流进行流体仿真，通过流体仿真软件仿真出常温下磨粒流加工过程中，磨粒流流场的温度分布情况；

3)基于磨粒流的湍动能以及湍动能的沿程损失和局部损失计算出仿形流道所需要的温度补偿函数；

4)结合仿真模型得到磨粒流流道中的温度曲线；

5)计算所需要的加热温度曲线：计算方法为将温度补偿函数中的补偿温度减去磨粒流流道中温度曲线的温度；

6)将仿形流道均分N段，N的范围为10～30；

7)在仿形流道的侧面安装支撑架4，仿形流道均分的每一段上均设置一个电磁波加热源3，并将这些电磁波加热源3固定在支撑架4上，且所有电磁波加热源3均正对仿形流道；

8)根据步骤5)中的加热温度曲线调节每个电磁波加热源3所对应的工作效率。

其中，温度补偿函数的计算方法如下：

a)确定仿形流道内的磨粒流湍动能计算公式：

仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式，其计算公式为：

式中，u为磨粒流的平均速度，I为磨粒流的湍流强度，其中磨粒流的湍流强度I的计算公式为：

式中，Re为磨粒流的雷诺系数，Re的计算公式为：

式中，ρ为磨粒流的密度，d为水力直径，μ为磨粒流的粘度，μ的计算公式为如下：

式中，t为磨粒流的温度；

将雷诺系数Re的计算公式和粘度μ的计算公式代入湍流强度I的计算公式中，得到湍流强度I的公式计算如下：

将湍流强度I的公式代入湍动能h的公式中，得到湍动能的计算公式如下：

b)确定沿程损失：湍动能的沿程损失为需要克服摩擦阻力而损耗的湍动能，此摩擦阻力主要是流体与管壁及流体本身的内部摩擦组成；沿程损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比，采用达西一维斯巴赫公式计算，因此磨粒流湍流动能的沿程损失h₁的计算公式为：

式中，R—非圆管的水力半径；l为流体的运动路程；λ为阻力系数，λ的计算公式为：

c)确定局部损失：湍动能的局部损失为磨粒流湍流在弯头处进行方向变化而损耗的湍动能h_s，h_s的计算公式为：

式中，ξ为局部阻力系数，θ为弯管过渡角，d为弯管水力直径，k为弯管中线曲率半径，θ的计算公式为：

d)确定温度补偿函数：

湍动能损失总量△h＝hl+hs，

设常温为t₀时，湍动能计算公式h₀为：

设补偿温度后磨粒流温度为t_n，此时的湍动能h_n为：

则湍动能的差值为△h′＝hn-h0，为了保证加工的均匀性，令△h＝△h′，根据此等式建立温度与加工路径的关系式如下：

设常温为24℃，由此转换得到根据加工路径变化后的温度变化，即温度补偿函数T，其计算公式为：

步骤3)中温度补偿函数T_c的公式如下：

T_c＝29.9998+1.25×10^-5l。

步骤4)中加热温度曲线的公式如下：

作为本发明的优选，步骤6)中N的最佳数量为20。

作为本发明的优选，通过电磁波加热源3的电磁波波长来控制电磁波加热源3的补偿温度，电磁波加热源3的强度由加热温度曲线确定，根据人工关节的尺寸、种类和加工条件，计算出不同的湍动能的加热温度曲线，并根据加热温度曲线对每个电磁波加热源3进行控制，该过程通过计算机来执行，实现湍动能的补偿。

作为本发明的优选，仿形流道的侧面还设有温度检测装置，所述温度检测装置正对玻璃约束构件2并用于检测仿形流道内温度分布情况，所述温度检测装置与电磁波控制器1电连接。

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 (4)

1.一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）建立仿形流道；在类人工关节件外套装玻璃约束构件，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，玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，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，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流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类人工关节件表面的加工；

2）建立磨粒流的仿真模型；对仿形流道内的磨粒流进行流体仿真，通过流体仿真软件仿真出常温下磨粒流加工过程中，磨粒流流场的温度分布情况；

3）基于磨粒流的湍动能以及湍动能的沿程损失和局部损失计算出仿形流道所需要的温度补偿函数；

4）结合仿真模型得到磨粒流流道中的温度曲线；

5）计算所需要的加热温度曲线：计算方法为将温度补偿函数中的补偿温度减去磨粒流流道中温度曲线的温度；

6）将仿形流道均分N段，N的范围为10~30；

7）在仿形流道的侧面安装支撑架，仿形流道均分的每一段上均设置一个电磁波加热源，并将这些电磁波加热源固定在支撑架上，且所有电磁波加热源均正对仿形流道；

8）根据步骤5）中的加热温度曲线调节每个电磁波加热源所对应的工作效率。

2.根据权利要求1所述的一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，其特征在于：步骤6）中N的最佳数量为20。

3.根据权利要求1所述的一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，其特征在于：通过电磁波加热源的电磁波波长来控制电磁波加热源的补偿温度，电磁波加热源的强度由加热温度曲线确定，根据人工关节的尺寸、种类和加工条件，计算出不同的湍动能的加热温度曲线，并根据加热温度曲线对每个电磁波加热源进行控制，该过程通过计算机来执行，实现湍动能的补偿。

4.根据权利要求1所述的一种类人工关节件湍流加工过程中磨粒流的升温方法，其特征在于：仿形流道的侧面还设有温度检测装置，所述温度检测装置正对玻璃约束构件并用于检测仿形流道内温度分布情况，所述温度检测装置与电磁波控制器电连接。