CN106625277A - 一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类人工关节件件曲面湍流模拟抛光装置及其方法，包括玻璃约束构件、仿形电磁波加热器、温度检测装置、支撑架和电磁波控制器，玻璃约束构件套装在类人工关节件外，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，仿形电磁波加热器安装在玻璃约束构件的一侧；仿形电磁波加热器包括外罩、加热源、凹透镜和凸透镜，仿形电磁波加热器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。本发明通过在玻璃约束构件的侧面放置一个加热源，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，使类人工关节件表面加工质量更加的均匀。

Description

一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置及其方法

技术领域

本发明涉及磨粒流加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置及其方法。

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，本发明提出了一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置及其方法，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，提供了一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置及其方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种类人工关节件件曲面湍流模拟抛光装置，包括玻璃约束构件、仿形电磁波加热器、温度检测装置、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；所述仿形电磁波加热器安装在所述玻璃约束构件的一侧，所述仿形电磁波加热器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，仿形电磁波加热器安装在支撑架上，仿形电磁波加热器正对所述仿形流道；所述仿形电磁波加热器与电磁波控制器电连接，由电磁波控制器控制所述仿形电磁波加热器的电磁波强度；所述仿形电磁波加热器包括外罩、加热源、凹透镜和凸透镜，加热源设有多个且均在所述外罩上，所有加热源均正对凹透镜和凸透镜，凹透镜和凸透镜的形状与与仿形流道在类人工关节件侧面上的投影形状相同，加热源发出的电磁波依次经过凹透镜和凸透镜后发射到仿形流道内；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，所述仿形电磁波加热器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。

一种类人工关节件件曲面湍流模拟抛光方法，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一侧的温度检测装置检测仿形流道内温度分布情况，再正对所述仿形流道的仿形电磁波加热器对仿形流道内的磨粒流进行加热，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。

进一步的，仿形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一个加热源，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、本发明仿形电磁波加热器其强度可调，且能通过调整凹透镜和凸透镜的位置来调节电磁波的电磁波宽度，从而适应不同宽度仿形流道的使用，方便穿透磨粒流切削液，而会不过度溢出影响周边加工环境。

5、本发明将仿形电磁波加热器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。

附图说明

图1是本发明实施例中整个加工装置的结构示意图。

图2是本发明一种类人工关节件件曲面湍流模拟抛光装置的结构示意图。

图3是本发明类人工关节件仿形流道的结构示意图。

图4是本发明仿形电磁波加热器的结构示意图。

图5是本发明仿形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-仿形电磁波加热器、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-人工关节、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，一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置，包括玻璃约束构件2、仿形电磁波加热器3、温度检测装置、支撑架4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；所述仿形电磁波加热器3安装在所述玻璃约束构件2的一侧，所述仿形电磁波加热器3的形状与仿形流道7在类人工关节件9侧面上的投影形状相同，仿形电磁波加热器3安装在支撑架4上，仿形电磁波加热器3正对所述仿形流道7；所述仿形电磁波加热器3与电磁波控制器1电连接，由电磁波控制器1控制所述仿形电磁波加热器3的电磁波强度；所述仿形电磁波加热器3包括外罩、加热源11、凹透镜13和凸透镜12，加热源11设有多个且均在所述外罩上，所有加热源11均正对凹透镜13和凸透镜12，凹透镜13和凸透镜12的形状与与仿形流道7在类人工关节件9侧面上的投影形状相同，加热源11发出的电磁波依次经过凹透镜13和凸透镜12后发射到仿形流道7内；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，所述仿形电磁波加热器3内每个加热源11均与电磁波控制器1电连接且受到电磁波控制器1的独立控制。

本发明一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置与搅拌器6和气膜泵5通过管道连接成一个首尾相连的磨粒流循环系统，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，将仿形电磁波加热器3通电，由于加热源11形状与仿形流道7相同，并且仿形电磁波加热器3正对着仿形流道7，通过电磁波控制器1调节仿形电磁波加热器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。

由于加热源11均布在仿形电磁波加热器3的外罩上，故每相邻两个加热源11的距离相等，而仿形流道内各个位置需要补偿的湍动能均不相同，因此需要的加热温度也均不相同，通过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，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的强度进行控制，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。

本发明利用上述曲面湍流模拟抛光装置进行抛光的方法如下：

一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光方法，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2一侧的温度检测装置检测仿形流道7内温度分布情况，再正对所述仿形流道7的仿形电磁波加热器3对仿形流道7内的磨粒流进行加热，对仿形流道7内不同位置的磨粒流进行温度补偿，进而控制仿形流道7内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道7不同位置的抛光效果保持均匀。

仿形电磁波加热器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 (3)

1.一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光装置，其特征在于：包括玻璃约束构件(2)、仿形电磁波加热器(3)、温度检测装置、支撑架(4)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)；所述仿形电磁波加热器(3)安装在所述玻璃约束构件(2)的一侧，所述仿形电磁波加热器(3)的形状与仿形流道(7)在类人工关节件(9)侧面上的投影形状相同，仿形电磁波加热器(3)安装在支撑架(4)上，仿形电磁波加热器(3)正对所述仿形流道(7)；所述仿形电磁波加热器(3)与电磁波控制器(1)电连接，由电磁波控制器(1)控制所述仿形电磁波加热器(3)的电磁波强度；所述仿形电磁波加热器(3)包括外罩、加热源(11)、凹透镜(13)和凸透镜(12)，加热源(11)设有多个且均在所述外罩上，所有加热源(11)均正对凹透镜(13)和凸透镜(12)，凹透镜(13)和凸透镜(12)的形状与与仿形流道(7)在类人工关节件(9)侧面上的投影形状相同，加热源(11)发出的电磁波依次经过凹透镜(13)和凸透镜(12)后发射到仿形流道(7)内；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，所述仿形电磁波加热器(3)内每个加热源(11)均与电磁波控制器(1)电连接且受到电磁波控制器(1)的独立控制。

2.一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光方法，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)一侧的温度检测装置检测仿形流道(7)内温度分布情况，再正对所述仿形流道(7)的仿形电磁波加热器(3)对仿形流道(7)内的磨粒流进行加热，对仿形流道(7)内不同位置的磨粒流进行温度补偿，进而控制仿形流道(7)内不同位置磨粒流的湍动能，从而控制仿形流道(7)不同位置的抛光效果。

3.根据权利要求2所述的一种类人工关节件曲面湍流模拟抛光方法，其特征在于：仿形电磁波加热器(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。