CN106425876B - 一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，包括玻璃约束构件、三个电磁波加热器、支撑架、气膜泵、搅拌器和电磁波控制器，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、气膜泵和搅拌器通过管道收尾连接成磨粒流循环系统；三个电磁波加热器安装在玻璃约束构件的同一侧，三个电磁波加热器的形状分别与对应位置的仿形流道形状相匹配，三个电磁波加热器的总长度与整个仿形流道的长度相同；本发明通过在玻璃约束构件的侧面放置电磁波加热器，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，使类人工关节件表面加工质量更加的均匀。

Description

一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置及其方法

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，尤其涉及一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置及其方法。

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，本发明提出了一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置及其方法，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，提供了一种一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置及其方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，包括玻璃约束构件、三个电磁波加热器、支撑架、气膜泵、搅拌器和电磁波控制器，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首尾连接成磨粒流循环系统；三个电磁波加热器安装在所述玻璃约束构件的同一侧，三个电磁波加热器分别放置在仿形流道入口侧的仿形流道最凸处到仿形流道的最凹处之间、仿形流道的最凹处和仿形流道的最凹处到仿形流道出口侧的仿形流道最凸处之间三处，三个电磁波加热器的形状分别与对应位置的仿形流道形状相匹配，三个电磁波加热器的总长度与整个仿形流道的长度相同，三个电磁波加热器均安装在支撑架上，每个电磁波加热器均正对所述仿形流道；每个电磁波加热器均与电磁波控制器电连接，电磁波控制器调节每个电磁波加热器的电磁波强度；每个所述电磁波加热器包括加热源、凹透镜和凸透镜，每个加热源均正对一个凹透镜和凸透镜，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。

进一步，每个电磁波加热器内均设有多个加热源，加热源的分布为中间密集两侧稀疏，所述凹透镜和凸透镜的形状与相应的电磁波加热器形状相匹配。

进一步的，所述电磁波加热器内每个加热源均与电磁波控制器电连接并受到电磁波控制器的独立控制。

进一步的，还包括温度检测装置，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。

一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工方法，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三个电磁波加热器对仿形流道内的磨粒流进行加热，三个电磁波加热器内的每个加热源均通过电磁波控制器设定不同的加热强度，从而调节仿形流道内不同位置磨粒流的湍动能，进而控制仿形流道不同位置的抛光效果。

进一步的，三个电磁波加热器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器，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、本发明电磁波加热器内的加热源其强度可调，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器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，采用三个电磁波加热源对上述三个区域进行分段式加热，分别对三个区域进行温度调控，提高加工的均匀性。

附图说明

图1是本发明一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置的结构示意图。

图2是本发明玻璃约束构件、电磁波加热器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器的结构示意图。

图5是本发明电磁波加热器单个加热源的工作状态示意图。

图中，1-电磁波控制器、2-玻璃约束构件、3-电磁波加热器、4-支撑架、5-气膜泵、6-搅拌器、7-仿形流道、8-仿形流道出口、9-类人工关节件、10-仿形流道入口、11-加热源、12-凸透镜、13-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，一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，其特征在于：包括玻璃约束构件2、三个电磁波加热器3、支撑架4、气膜泵5、搅拌器6和电磁波控制器1，所述玻璃约束构件2套装在类人工关节件9外，所述玻璃约束构件2的内表面与类人工关节件9的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道7，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10和仿形流道出口8；所述仿形流道入口10通过管道依次连接气膜泵5、搅拌器6和仿形流道出口8，仿形流道7、气膜泵5和搅拌器6通过管道首尾连接成磨粒流循环系统；三个电磁波加热器3安装在所述玻璃约束构件2的同一侧，三个电磁波加热器3分别放置在仿形流道入口10侧的仿形流道7最凸处到仿形流道7的最凹处之间、仿形流道7的最凹处和仿形流道7的最凹处到仿形流道出口8侧的仿形流道7最凸处之间三处，三个电磁波加热器3的形状分别与对应位置的仿形流道7形状相匹配，三个电磁波加热器3的总长度与整个仿形流道7的长度相同，三个电磁波加热器3均安装在支撑架4上，每个电磁波加热器3均正对所述仿形流道7；每个电磁波加热器3均与电磁波控制器1电连接，电磁波控制器1调节每个电磁波加热器3的电磁波强度；每个所述电磁波加热器3包括加热源11、凹透镜13和凸透镜12，每个加热源11均正对一个凹透镜13和凸透镜12，加热源11发出的电磁波依次经过凸透镜12和凹透镜13后发射到仿形流道7内。

每个电磁波加热器3内均设有多个加热源11，加热源11的分布为中间密集两侧稀疏，所述凹透镜13和凸透镜12的形状与相应的电磁波加热器3形状相匹配。所述电磁波加热器3内每个加热源11均与电磁波控制器1电连接并受到电磁波控制器1的独立控制。电磁波加热器3内加热源11的分布是根据实际的温度补偿情况进行布置的，由于仿形流道7内各个位置需要补偿的湍动能不同，因此需要加热的温度也不相同，通过一开始设定的每个位置的补偿温度来对加热源11的分布进行分布调整，可以保证仅需要对加热源11进行较小的调整既可以完成整个仿形流道7内温度补偿的调节。

一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置还包括温度检测装置，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7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。温度检测装置不仅能对仿形流道内的温度进行监控，而且能根据温度计算每个位置需要的温度补偿，再通过电磁波控制器1对每个加热源11的波长进行控制，以保证仿形流道内任意位置的湍动能均保持一致，从而实现类人工关节件表面的均匀抛光。

加工开始时，磨粒流切削液进入搅拌器6内，通过搅拌器6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10中，然后经仿形流道7后从仿形流道出口8回流到搅拌器6中；与此同时，将三个电磁波加热器3通电，由于三个电磁波加热器3的整体形状与仿形流道7相同，并且三个电磁波加热器3均正对着仿形流道7，通过电磁波控制器1分别调节三个电磁波加热器3内每一个加热源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7内的磨粒流切削液进行加热。

本发明利用上述一种分段加热式类人工关节件湍流精密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9外，在玻璃约束构件2的内表面与类人工关节件9的曲面表面之间形成厚度均匀的仿形流道7，玻璃约束构件2的两端设有仿形流道入口10和仿形流道入口10出口，将磨粒流以湍流状态经过仿形流道入口10送入仿形流道7中，再由仿形流道出口8流出，通过仿形流道7内磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件9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7的三个电磁波加热器3对仿形流道7内的磨粒流进行加热，三个电磁波加热器3内的每个加热源11均通过电磁波控制器1设定不同的加热强度，从而调节仿形流道7内不同位置磨粒流的湍动能，进而控制仿形流道7不同位置的抛光效果。

三个电磁波加热器3对仿形流道7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1设定指定位置加热源11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 (6)

1.一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，其特征在于：包括玻璃约束构件（2）、三个电磁波加热器（3）、支撑架（4）、气膜泵（5）、搅拌器（6）和电磁波控制器（1），所述玻璃约束构件（2）套装在类人工关节件（9）外，所述玻璃约束构件（2）的内表面与类人工关节件（9）的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道（7），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（10）和仿形流道出口（8）；所述仿形流道入口（10）通过管道依次连接气膜泵（5）、搅拌器（6）和仿形流道出口（8），仿形流道（7）、气膜泵（5）和搅拌器（6）通过管道首尾连接成磨粒流循环系统；三个电磁波加热器（3）安装在所述玻璃约束构件（2）的同一侧，三个电磁波加热器（3）分别放置在仿形流道入口（10）侧的仿形流道（7）最凸处到仿形流道（7）的最凹处之间、仿形流道（7）的最凹处和仿形流道（7）的最凹处到仿形流道出口（8）侧的仿形流道（7）最凸处之间三处，三个电磁波加热器（3）的形状分别与对应位置的仿形流道（7）形状相匹配，三个电磁波加热器（3）的总长度与整个仿形流道（7）的长度相同，三个电磁波加热器（3）均安装在支撑架（4）上，每个电磁波加热器（3）均正对所述仿形流道（7）；每个电磁波加热器（3）均与电磁波控制器（1）电连接，电磁波控制器（1）调节每个电磁波加热器（3）的电磁波强度；每个所述电磁波加热器（3）包括加热源（11）、凹透镜（13）和凸透镜（12），每个加热源（11）均正对一个凹透镜（13）和凸透镜（12），加热源（11）发出的电磁波依次经过凸透镜（12）和凹透镜（13）后发射到仿形流道（7）内。

2.根据权利要求1所述的一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，其特征在于：每个电磁波加热器（3）内均设有多个加热源（11），加热源（11）的分布为中间密集两侧稀疏，所述凹透镜（13）和凸透镜（12）的形状与相应的电磁波加热器（3）形状相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，其特征在于：所述电磁波加热器（3）内每个加热源（11）均与电磁波控制器（1）电连接并受到电磁波控制器（1）的独立控制。

4.根据权利要求1所述的一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工装置，其特征在于：还包括温度检测装置，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（7）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。

5.一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工方法，其特征在于：通过将玻璃约束构件（2）套装在类人工关节件（9）外，在玻璃约束构件（2）的内表面与类人工关节件（9）的曲面表面之间形成厚度均匀的仿形流道（7），玻璃约束构件（2）的两端设有仿形流道入口（10）和仿形流道入口（10）出口，将磨粒流以湍流状态经过仿形流道入口（10）送入仿形流道（7）中，再由仿形流道出口（8）流出，通过仿形流道（7）内磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件（9）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（7）的三个电磁波加热器（3）对仿形流道（7）内的磨粒流进行加热，三个电磁波加热器（3）内的每个加热源（11）均通过电磁波控制器（1）设定不同的加热强度，从而调节仿形流道（7）内不同位置磨粒流的湍动能，进而控制仿形流道（7）不同位置的抛光效果。

6.根据权利要求5所述的一种分段加热式类人工关节件湍流精密加工方法，其特征在于：三个电磁波加热器（3）对仿形流道（7）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（1）设定指定位置加热源（11）的波长来实现。