CN110102961A - 用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头及方法，解决了现有技术中因渐进成形的加工精度欠佳导致的板材表面微结构成形困难、加工质量低的问题，具有压力可调且可保持、可调节工具头长度、更换工具头方便、可实时润滑以及润滑油流量可调节等有益效果，其包括基柱，为圆柱形腔体结构，腔体上部设进油口、出油口与泄压口，下端设螺纹；密封盖，设置于基柱底端，与基柱通过螺纹连接；工具头，上部位于腔体内，与密封盖内壁间隙配合；工具头支撑盖，设置小孔，与工具头通过螺纹连接；润滑调节装置，为一环形结构，设于工具头下部出油口部位，与工具头过渡配合，通过旋转润滑调节装置调节工具头上四个出油口的出油量。

Description

用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头及方法

技术领域

本发明涉及植入体板材表面微结构制备技术领域，特别是涉及用于渐进成形制备宏结构和微结构的液压可调式工具头及方法。

背景技术

医用植入体广泛应用于人体功能修复和关节替换，其制造水平直接影响诊疗及康复效果。目前金属植入物本身的生物惰性限制了其于骨组织的良好结合，需要开发集植入物宏观精确制造于表面生物改性于一体的复合工艺，但是目前缺少宏观成形和表面微结构改性集成一体的工艺技术。

渐进成形工艺作为一种先进的柔性成形技术，是基于快速原型制造技术“分层制造”的思想迅速发展起来的，不依赖于模具，可满足生理曲度复杂部位的塑性要求，制造周期和成本大大低于传统的成形技术，尤其适用于个性化小批量的生物医用植入制造。另外，从加工尺度上分类，渐进成形可以分为宏观渐进成形和微观渐进成形两个层面。因此，使用渐进成形技术制备植入体表面微结构可以通过两种方式进行：(1)使用表面置有微沟槽的宏观工具头制备，成形力一般为100N～3000N(2)使用直径极小的微成形工具头制备,成形力一般为1N～100N。

发明人发现由于钛板在渐进成形加工后会产生回弹现象，成形件的宏观形状往往与设计尺寸有一定几何误差。因此在一次成形的钛板上进行二次微观渐进成形时，若采用理想的几何形状设计成形轨迹，微成形工具头可能会因承载过大影响加工质量甚至发生断裂；而若采用表面置有微沟槽的宏观工具头，钛板表面微结构布置难以控制，因此宏微一体渐进成形困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头及方法。该装置设有工具头压力调节结构，通过调整进油管的进油速度，调整基柱腔内的液体压强，调整工具头的压力，避免使用置有微沟槽的宏观工具头进行微结构加工时产生的微结构形貌难以控制的问题，同时，避免使用微成形工具头进行微结构加工时产生的微成形工具头断裂问题，提高宏微一体成形的植入体板材性能。此外，该装置还有更换工具头方便，能实时自动润滑并能调节润滑油的流量等优势。

本发明采用的技术方案如下：

用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，包括：

基柱，在所述基柱的下部设有一个圆柱形腔体，在圆柱形腔体的侧壁上设有与腔体内部相连通的第一进油口、第一出油口与泄压口；

工具头，其内部设有油路，工具头下部延伸到所述的圆柱形腔体外，工具头的顶部设有一个工具头支撑盖，所述的工具头支撑盖位于所述的圆柱形腔体内，工具头支撑盖与基柱的圆柱形腔体内壁之间通过密封环密封；所述的工具头支撑盖上设有与所述油路相通的第二进油口，工具头侧壁上设有与所述油路相通的第二出油口；

密封盖，设置于基柱底端，用于连接工具头与基柱，实现对工具头与基柱之间间隙的密封；

润滑调节装置，为一环形结构，设于工具头的第二出油口部位，与工具头过渡配合，通过旋转润滑调节装置可调节第二出油口的出油量。

上述的装置，通过调整进油管的进油速度，调整基柱腔内的液体压强，调整工具头的压力，避免使用置有微沟槽的宏观工具头进行微结构加工时产生的微结构形貌难以控制的问题，同时，避免使用微成形工具头进行微结构加工时产生的微成形工具头断裂问题，提高宏微一体成形的植入体板材性能。

进一步地，为了防止工具头在油压的作用下脱出，工具头支撑盖上端的直径大于密封盖内径，小于基柱内径。

进一步地，所述工具头支撑盖是空心结构或者是设有第二进油口的实心结构，液体可经工具头支撑盖流入工具头。

进一步地，所述工具头支撑盖周围设密封环将基柱腔体分为上下两个部分，并能起到支撑工具头的作用。当工具头承受横向载荷时，增大力臂，并起到防止工具头转动的作用。

进一步地，所述工具头支撑盖设两小孔，上下两部分腔体内液体可相互流通，但需克服阻尼。

进一步地，所述工具头内部的油路包括竖直油路和水平油路，水平油路包括四个，四个水平油路均与所述的竖直油路连通，四个水平油路位于同一平面上，四个水平油路的末端为四个出油口，空腔内液体可经工具头支撑盖的进油口流入工具头内部的竖直油路，并最终经工具头下端中心对称的水平油路从四个小孔流出。工具头球面设等距微沟槽，用于加工微结构。

进一步地，所述密封盖通过螺纹与基柱连接，可随时拆卸。

进一步地，所述润滑调节装置内部设沟槽，可通过旋转，调节沟槽与工具头出油口的相对位置，从而实现对出油量的调整。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了种基于渐进成形的表面微结构制备方法，采用所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头。

进一步地，使用步骤如下：

1)将基柱上部固定于机床刀柄上，并将机床刀柄安装至机床主轴上；

2)将定流量油泵的出油管以及回油管连接至基柱的进油口、出油口，并将泄压口经过泄压阀连接至油泵的回油管；

3)安装工具头，先将工具头支撑盖安装在工具头上，其次将工具头以及油环安装在密封盖内，然后将密封盖安装在基柱上；

4)将工具头推至顶部，排出腔内的空气，安装润滑调节装置，并打开油泵开关开始进油；

5)工具头在油压的作用下向下运动，在到达最底部时，腔内油压恒定，调整润滑调节装置，改变出油速度；

6)将加工后的钛板安装在夹具上，执行加工指令，工具头挤压钛板，并制备微结构，根据加工路径的不同，可以加工微沟槽、微多边形等表面形貌；

若钛板表面实际轮廓线位于理想轮廓线的上方时，工具头受到的钛板的力大于腔内液体的压力，基柱上出油口处的流速加快，进油口处的流量不变，腔内液体减少，工具头向上运动；

若钛板表面实际轮廓线位于理想轮廓线的下方时，工具头受到的钛板的力小于腔内液体的压力，基柱上出油口处的流速加变慢，进油口处的流量不变，腔内液体增加，工具头向下运动；

当需要换工具头或加工结束时，首先调整润滑调节装置，将出油量降到最低，然后将工具头推至顶端，将腔内的润滑油全部排出至回油管，最后卸下密封盖和工具头支撑盖并更换工具头或取下刀柄并将基柱从刀柄上取下。

应用该方法，不仅可以使用表面置有微结构的宏观工具头制备微结构，也可使用微成形工具头制备微结构。若使用微成形工具头进行微结构加工，需要将工具头更换为微成形工具头，并将该装置安装于微成形机床上。若微结构尺寸较小，微成形工具头满足不了加工需求，可以整体上缩小该装置的尺寸或缩小某些特定结构的尺寸并采用粘度较小的液体以制备微结构。其他使用步骤与上述使用宏观工具头时的步骤相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)该装置具有工具头压力调节机构，可以调节腔内液体对工具头的压力，进而调节工具头对钛板的压力，避免使用置有微沟槽的宏观工具头制备微结构时微结构形貌难以控制，同时，避免因力过大导致的微工具头破坏。提高宏微一体成形件的性能。

2)该装置具有密封盖和工具头支撑盖等结构，既保证更换工具头方便又能防止工具头脱出。

3)在工具头内设置油路，在工具头支撑盖上设置进油口，腔内液体可经工具头支撑盖和工具头流至钛板和工具头的接触区域，起到实时自动润滑作用。

4)本发明还设置了润滑调节装置，可调节润滑油的流量。

5)工具头支撑盖周围设密封环，密封环紧贴基柱内壁，将腔结构分为上下两个部分，工具头支撑盖设两小孔，腔内两个部分的液体可以相互流通但需要克服较大的阻尼，当油泵输入的压力不稳定时，工具头支撑盖的两个小孔可以起到减小振动的作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明外部整体结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明的正等轴测图；

图4为本发明的爆炸视图；

图5、图6为本发明中工具头示意图；

图中，基柱-1；工具头支撑盖-2；密封环-3；密封盖-4；工具头-5；润滑调节装置-6；密封圈7；油环-8；表面置有微结构的宏观工具头-5-1；微成形工具头-5-2。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，包括基柱1；工具头支撑盖2；密封环3；密封盖4；工具头5；表面置有微结构的宏观工具头5-1；微成形工具头5-2；润滑调节装置6；密封圈7；油环8。

基柱1整体上类似于一个圆柱结构，圆柱结构底部向内凹陷，形成一个圆柱形的空腔结构，且空腔结构的底部敞口。

密封盖4包括内层和外层，内外两层连接在一起，形成一个环形腔，所述的环形腔与基柱下部侧壁配合，且密封盖4与基柱1之间通过螺纹与基柱1连接，在密封盖4与基柱1底部之间安装密封圈7，密封圈7的作用主要是为了保证密封性。

基柱1与工具头支撑盖2共同形成一腔结构，基柱1与工具头支撑盖2以及工具头共同形成闭合空间。当闭合空间的压力大于工具头5所受向上的力时，工具头5在压力的作用下向下运动，当闭合空间的压力小于工具头5所受的向上的压力时，工具头5在压力的作用下向上运动。

进一步的，如图1和图2所示基柱1上还设有进油口、出油口与泄压口。出油口设置于上部，有利于空气的排出；进油口、出油口与泄压口均与上述的密闭腔连通；

密封盖内设两个油环8，油环8为弹性材料，起到密封与支撑作用，同时防止工具头转动。

工具头5与密封盖4内壁形成间隙配合。

工具头5为一个实心结构，在实心结构内部设有油路，且下部设四个中心对称的出油口。工具头5上部安装工具头支撑盖2，两者通过螺纹连接。工具头支撑盖2外径大于密封盖4内径但是小于基柱1内径，能防止工具头5脱出。

工具头下部延伸到所述的圆柱形腔体外，工具头的顶部设有一个工具头支撑盖，所述的工具头支撑盖位于所述的圆柱形腔体内，工具头支撑盖与基柱的圆柱形腔体内壁之间通过密封环密封。

工具头支撑盖2外部为内凹结构，安装密封环3，密封环3为弹性材料，紧贴基柱1内壁，起到支撑作用，可增大工具头5受横向力时的力臂，并起到防止工具头5转动的作用。

工具头支撑盖2与密封环3共同将上文所述的密闭空间分为上下两个部分。如图3所示，工具头支撑盖2上也设两个小孔，上、下两个部分的液体可相互流通，但需克服阻尼，因此工具头支撑盖2能起到减少因液体流速波动引起的工具头5振动的作用。

工具头支撑盖2为中空结构或者是设有进油口的实心结构，工具头支撑盖2的中空结构与工具头5的油路连通。工具头5下端设中心对称的四个小孔，与其内部油路连通。

工具头内部的油路包括竖直油路和水平油路，水平油路包括四个，四个水平油路均与所述的竖直油路连通，四个水平油路位于同一平面上，四个水平油路的末端为四个出油口，空腔内液体可经工具头支撑盖的进油口流入工具头内部的竖直油路，并最终经工具头下端中心对称的水平油路从四个小孔流出。

工具头球面设等距微沟槽。若工具头的运动方向与微沟槽的运动方向相同，可在钛板加工微沟槽结构，通过改变工具头的运动轨迹，还可在钛板表面加工微三角形阵列、微平行四边形阵列等微结构。

上面所述密闭空间中的液体可通过工具头支撑盖2的中空结构与工具头5的中空结构，最终从工具头5下端的四个小孔中流出。工具头5下端安装润滑调节装置6，润滑调节装置6为圆柱壳型结构。如图3所示，润滑调节装置6内壁设四条中心对称的沟槽，沟槽宽度大于工具头5下端小孔的直径。润滑调节装置6内壁与工具头5外径过度过渡配合，能防止润滑调节装置6脱出。可以通过旋转调节工具头6与润滑调节装置6的相对角度，调整四个小孔被润滑调节装置6封闭的大小，进而调节出油量。

使用过程如下：

1)将基柱1上部固定于机床刀柄上，并将刀柄安装至机床主轴上；

2)将定流量油泵的出油管以及回油管连接至基柱1的进油口出油口，并将泄压口经过泄压阀并联至油泵的回油管；

3)在安装工具头5时，先将工具头支撑盖2安装在工具头上5，其次将工具头5以及油环8安装在密封盖4内，将密封盖4安装在基柱1上；

4)将工具头5推至顶部，排出腔内的空气，安装润滑调节装置6，并打开油泵开关开始进油；

5)工具头5在油压的作用下向下运动，在到达最底部时，腔内油压恒定，调整润滑调节装置6，调整出油速度至适宜大小；

6)将加工后的钛板安装在夹具上，执行加工指令，工具头5挤压钛板，并制备微结构，根据加工路径的不同，可以加工微沟槽、微多边形等表面形貌；

7)若钛板表面实际轮廓线位于理想轮廓线的上方时，工具头5受到的钛板的力大于腔内液体的压力，基柱1上出油口处的流速加快，进油口处的流量不变，腔内液体减少，工具头5向上运动；

8)若钛板表面实际轮廓线位于理想轮廓线的下方时，工具头5受到的钛板的力小于腔内液体的压力，基柱1上出油口处的流速加变慢，进油口处的流量不变，腔内液体增加，工具头5向下运动；

9)当需要换工具头5或加工结束时，首先调整润滑调节装置6，将出油量降到最低，然后将工具头5推至顶端，将腔内的润滑油全部排出至回油管，最后卸下密封盖4和工具头支撑盖2，更换工具头5，或取下刀柄，将基柱1从刀柄上取下。

应用该方法，不仅可以使用表面置有微结构的宏观工具头5-1制备微结构，也可使用微成形工具头5-2制备微结构。若使用微成形工具头进行微结构加工，需要将工具头5-1更为微成形工具头5-2，并将该装置安装于微成形机床上。若微结构尺寸较小，微成形工具头5-2满足不了加工需求，可以整体上缩小该装置的尺寸或缩小某些特定结构的尺寸并采用粘度较小的液体以制备微结构。其他使用步骤与上述使用宏观工具头时的步骤相同。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，包括：

基柱，在所述基柱的下部设有一个圆柱形腔体，在圆柱形腔体的侧壁上设有与腔体内部相连通的第一进油口、第一出油口与泄压口；

工具头，其内部设有油路，工具头下部延伸到所述的圆柱形腔体外，工具头的顶部设有一个工具头支撑盖，所述的工具头支撑盖位于所述的圆柱形腔体内，工具头支撑盖与基柱的圆柱形腔体内壁之间通过密封环密封；所述的工具头支撑盖上设有与所述油路相通的第二进油口，工具头侧壁上设有与所述油路相通的第二出油口；

密封盖，设置于基柱底端，用于连接工具头与基柱，实现对工具头与基柱之间间隙的密封；

润滑调节装置，为一环形结构，设于工具头的第二出油口部位，与工具头过渡配合，通过旋转润滑调节装置可调节第二出油口的出油量。

2.根据权利要求1所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，所述工具头支撑盖直径大于密封盖内径但小于基柱腔体内径。

3.根据权利要求1所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，所述的密封环将圆柱形腔体分成了上下两部分，所述工具头支撑盖设两个小孔，上下两部分腔体内液体可相互流通，但需克服阻尼。

4.根据权利要求1所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，所述工具头内部的油路包括竖直油路和水平油路，水平油路包括四个，四个水平油路均与所述的竖直油路连通，四个水平油路位于同一平面上，四个水平油路的末端为四个出油口，空腔内液体可经工具头支撑盖的第二进油口流入工具头内部的竖直油路，并最终经工具头下端中心对称的水平油路从四个小孔流出。

5.根据权利要求1所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，工具头球面设等距微沟槽。

6.根据权利要求1所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，所述密封盖通过螺纹与基柱连接，可随时拆卸；所述的密封盖与所述的工具头之间通过油环密封。

7.根据权利要求1所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头，其特征在于，所述润滑调节装置内部设四条中心对称的沟槽，可通过旋转，调节沟槽与工具头出油口的相对位置，调节液体流量。

8.一种基于渐进成形的表面微结构制备方法，其特征在于，采用根据权利要求1-7中任一项所述的用于渐进成形制备宏/微结构的液压可调式工具头。

9.根据权利要求8所述的一种基于渐进成形的表面微结构制备方法，其特征在于，使用步骤如下：

1)将基柱上部固定于机床刀柄上，并将刀柄安装至机床主轴上；

2)将定流量油泵的出油管以及回油管连接至基柱的第一进油口和第一出油口，并将泄压口经过泄压阀连接至油泵的回油管；

3)安装工具头，先将工具头支撑盖安装在工具头上，其次将工具头以及油环安装在密封盖内，然后将密封盖安装在基柱上；

4)将工具头推至顶部，排出腔内的空气，安装润滑调节装置，并打开油泵开关开始进油；

5)工具头在油压的作用下向下运动，在到达最底部时，腔内油压恒定，调整润滑调节装置，改变出油速度；

6)将加工后的钛板安装在夹具上，执行加工指令，工具头挤压钛板，并制备微结构；

若钛板表面实际轮廓线位于理想轮廓线的上方时，工具头受到的钛板的力大于腔内液体的压力，基柱上出油口处的流速加快，进油口处的流量不变，腔内液体减少，工具头向上运动；

若钛板表面实际轮廓线位于理想轮廓线的下方时，工具头受到的钛板的力小于腔内液体的压力，基柱上出油口处的流速变慢，进油口处的流量不变，腔内液体增加，工具头向下运动。

10.根据权利要求9所述的一种基于渐进成形的表面微结构制备方法，其特征在于，

当需要换工具头或加工结束时，首先调整润滑调节装置，将出油量降到最低，然后将工具头推至顶端，将腔内的润滑油全部排出至回油管，最后卸下密封盖和工具头支撑盖，更换工具头，或取下刀柄，将基柱从刀柄上取下。