CN112247046A - 一种合金股骨柄锻件的锻造方法 - Google Patents

一种合金股骨柄锻件的锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其可以提高颈干角角度的合格率，提高锻件尺寸精度，提高锻件力学性能，进而确保合金股骨柄的合格率以及提高其使用期限。其包括以下步骤：S1：设计股骨柄模具；按照模具型腔的横截面的面积大小将模具型腔分区；以横截面最小的型腔分区为基准分区，其他型腔分区根据与基准分区横截面积的比，降低其桥部的高度；S2：预锻出用于精密锻造的合金材质的股骨柄毛坯；S3：对预锻出的股骨柄毛坯进行切飞边、抛修处理；S4：将处理过的股骨柄毛坯置于热处理炉中加热；S5：将加热好的股骨柄毛坯的颈干角进行预弯后进行终锻；S6：取出锻好的股骨柄产品进行处理后得到成品股骨柄。

Description

一种合金股骨柄锻件的锻造方法
技术领域
本发明涉及精密锻造技术领域，具体为一种合金股骨柄锻件的锻造方法。
背景技术
人工髋关节由股骨柄、臼杯和衬垫组成，其中股骨柄主要采用高氮不锈钢、钛合金、钴铬钼合金和高温合金等锻造而成。与TC4钛合金以及不锈钢相比，CoCrMo合金的弹性模量更接近骨组织(骨组织弹性模量为10~14GPa)，可以减轻植入体与骨组织之间的机构不适应；试验已经证明从人体中取出的CoCrMo合金关节, 绝大多数未产生腐蚀现象。所以，CoCrMo合金的人工关节非常广泛的应用市场。如图1所示，为CoCrMo合金股骨柄的结构示意图，其包括：头部1、颈部2、柄身3；在现有的技术中，通过锻造技术完成的CoCrMo合金股骨柄上，因为锻造方法存在不足，因为锻造后的回弹现象，其成品会出现颈干角4（头部1、柄身3之间的夹角）的角度过大的问题，以及存在锻件尺寸和力学性能不符合质量要求，导致用户使用时出现股骨柄与其他关节匹配精度不足、容易磨损失效，因为金属疲劳导致裂纹等问题的发生。
发明内容
为了解决现有的合金股骨柄锻件的锻造方法导致合金股骨柄上存在颈干角角度过大、锻件尺寸和力学性能不符合质量要求的问题，本发明提供一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其可以提高颈干角角度的合格率，提高锻件尺寸精度，提高锻件力学性能，进而确保合金股骨柄的合格率以及提高其使用期限。
本发明的技术方案是这样的：一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其包括以下步骤：
S1：设计股骨柄模具；
S2：预锻出用于精密锻造的合金材质的股骨柄毛坯；
S3：对预锻出的所述股骨柄毛坯进行切飞边、抛修处理；
S4：将处理过的所述股骨柄毛坯置于热处理炉中加热；
S5：将加热好的所述股骨柄毛坯置于所述股骨柄模具中进行终锻；
S6：从所述股骨柄模具中取出锻好的股骨柄产品进行切边、热处理、振动光饰，即得到成品股骨柄；
其特征在于：
在步骤S1中设计所述股骨柄模具时，按照模具型腔的横截面的面积大小将模具型腔分区；以横截面最小的所述型腔分区为基准分区，其他所述型腔分区根据与所述基准分区横截面积的比，降低其桥部的高度；横截面越大的所述型腔分区的桥部高度越低；
在步骤S5中，在进行终锻前，对加热好的所述股骨柄毛坯的颈干角进行预弯。
其进一步特征在于：
其还包括以下步骤：
S5-1：在步骤S5中的终锻前的预弯操作后，记录本次预弯操作的角度A；
S5-2：在步骤S5中的终锻操作结束后，对锻造好所述股骨柄产品的颈干角进行测量，记录终锻后的颈干角的角度B；
S5-3：将角度A和角度B作为锻造工序中预弯操作的角度修正参照参数；
步骤S2中，所述股骨柄毛坯采用CoCrMo合金材质；
步骤S5中，终锻时，设备能量设置为：500ton-550ton；
在步骤S5中，将终锻压下率控制在10%-15%范围内，终锻加热温度控制在1050±10℃范围内；
步骤S5中，对加热好的所述股骨柄毛坯的颈干角进行预弯时，预弯角度设置为2°-5°；
步骤S1中，以所述基准分区的桥部为基准，其他所述型腔分区的桥部的高度降低范围为：0.2 mm -0.6mm；
步骤S2中，将所述股骨柄毛坯的厚度方向尺寸精度控制在±0.4mm之内。
本发明提供的一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其通过在终锻前对股骨柄毛坯的颈干角进行预弯，避免终锻之后颈干角过大，提高颈干角的锻造精度；在模具设计过程中，通过调整型腔的桥部的高度来调整控制合金股骨柄的厚度，进而提高锻件尺寸精度；在终锻时，通过控制设备能量、控制终锻压下率在一定范围内，提高髋关节毛坯的晶粒度和力学性能；通过控制加热温度，降低产品出现混晶现象的概率，进一步提高产品的力学性能。
附图说明
图1为合金股骨柄锻件的结构示意图；
图2为股骨柄模具的结构示意图。
具体实施方式
以CoCrMo合金材质的股骨柄锻造过程为例，来说明本发明一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其包括以下步骤。
S1：设计股骨柄模具；如图2所示，型腔6设置在模具的仓部5中，沿型腔6外周为桥部7；设计股骨柄模具时，按照模具型腔6的横截面的面积大小将模具型腔分区；以横截面最小的所述型腔分区为基准分区，其他所述型腔分区根据与所述基准分区横截面积的比，降低其桥部的高度；横截面越大的所述型腔分区的桥部高度越低；具体实现的时候，根据产品的具体形状进行模具型腔的划分；
本实施例中，将股骨柄模具按照型腔6的横截面积大小分为3个分区，其中型腔分区A为合金股骨柄的头部1和颈部2对应的分区，型腔分区B为柄身3的较粗的骨干部分对应的分区，型腔分区C为横截面积最小的柄身3的尾部对应的分区；
将型腔分区C作为基准分区，分别调低型腔分区A、型腔分区B的桥部7的高度；具体调低的尺寸根据具体的分区的横截面的面积进行调整，但是高度调低的调整范围在：0.2 mm -0.6mm；调整后，横截面积最大的型腔分区B的桥部7的高度最低；如图2所示，在型腔分区A、型腔分区B之间设置有过渡桥部8，实现型腔分区A的桥部到型腔分区B的桥部的高度过渡；在型腔分区B、型腔分区C之间设置过渡桥部9，实现型腔分区B的桥部到型腔分区C的桥部的高度过渡；
将加热好的股骨柄毛坯置于股骨柄模具中的时候，横截面较大的型腔分区物料流动比较缓慢，横截面较小的型腔分区物料流动相对较快，所以通过调整型腔分区的桥部的高度来控制物料的流动，通过较高的桥部确保横截面较小的型腔分区内被物料充满，通过相对较低的桥部确保横截面较大的型腔分区内物料不会堆积，进而调整控制合金股骨柄的厚度，提高锻件尺寸精度；同时确保飞边厚度均匀且尺寸在质量允许范围内，进而控制产品的质量精度
S2：预锻出用于精密锻造的合金材质的股骨柄毛坯；预锻出用于精密锻造的CoCrMo合金材质的股骨柄毛坯；将股骨柄毛坯的厚度方向尺寸精度控制在[- 0.4mm, +0/4mm]之内；确保后期的工序中产品尺寸精度可控。
S3：对预锻出的所述股骨柄毛坯进行切飞边、抛修处理。
S4：将处理过的股骨柄毛坯置于热处理炉中加热。
S5：将加热好的所述股骨柄毛坯置于股骨柄模具中进行终锻；
在进行终锻前，对加热好的股骨柄毛坯的颈干角进行预弯；本实施例中，预弯角度设置为2°-5°；
本实施例的终锻工序中，将加热好的股骨柄毛坯置于股骨柄模具中进行终锻时，设备能量设置为：500ton-550ton；将终锻压下率控制在10%-15%范围内，终锻加热温度控制在1050±10℃范围内；
在各流动平面上，中间预制坯的截面积等于锻件横截面积和飞边横截面积之和，因此确定锻件的压下率可以确定中间预制坯尺寸；进而提高股骨柄毛坯的晶粒度和力学性能；严格控制终锻加热温度，避免出现混晶等现象，进一步确保产品的力学性能；通过在终锻前对股骨柄毛坯的颈干角进行预弯，避免终锻之后颈干角过大，提高颈干角的锻造精度。
S6：从股骨柄模具中取出锻好的股骨柄产品进行切边、热处理、振动光饰，即得到成品股骨柄。
在进行锻造的过程中，针对每一个产品都执行以下步骤，针对同批次产品循环执行，确保能够更准确的调整每一个产品的颈干角的预弯角度，确保终锻之后颈干角在质量允许的范围内，同时可以逐步提高提高颈干角的锻造精度：
S5-1：在步骤S5中的终锻前的预弯操作后，记录本次预弯操作的角度A；
S5-2：在步骤S5中的终锻操作结束后，对锻造好股骨柄产品的颈干角进行测量，记录终锻后的颈干角的角度B；
S5-3：将角度A和角度B作为锻造工序中预弯操作的角度修正参照参数。
基于本专利的锻造方法，做一组对比试验，具体的试验条件，和试验结果如下面表1所示：
表1：对比试验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE001
综上，可知对股骨柄毛坯进行预弯操作（组别2、4），可以确保颈干角的角度符合要求，通过控制终端压下率在10%-15%范围内（组别3、4），可以确保产品的力学性能符合质量要求。

Claims (8)

1.一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其包括以下步骤：
S1：设计股骨柄模具；
S2：预锻出用于精密锻造的合金材质的股骨柄毛坯；
S3：对预锻出的所述股骨柄毛坯进行切飞边、抛修处理；
S4：将处理过的所述股骨柄毛坯置于热处理炉中加热；
S5：将加热好的所述股骨柄毛坯置于所述股骨柄模具中进行终锻；
S6：从所述股骨柄模具中取出锻好的股骨柄产品进行切边、热处理、振动光饰，即得到成品股骨柄；
其特征在于：
在步骤S1中设计所述股骨柄模具时，按照模具型腔的横截面的面积大小将模具型腔分区；以横截面最小的所述型腔分区为基准分区，其他所述型腔分区根据与所述基准分区横截面积的比，降低其桥部的高度；横截面越大的所述型腔分区的桥部高度越低；
在步骤S5中，在进行终锻前，对加热好的所述股骨柄毛坯的颈干角进行预弯。
2.根据权利要求1所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：其还包括以下步骤：
S5-1：在步骤S5中的终锻前的预弯操作后，记录本次预弯操作的角度A；
S5-2：在步骤S5中的终锻操作结束后，对锻造好所述股骨柄产品的颈干角进行测量，记录终锻后的颈干角的角度B；
S5-3：将角度A和角度B作为锻造工序中预弯操作的角度修正参照参数。
3.根据权利要求1所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：步骤S2中，所述股骨柄毛坯采用CoCrMo合金材质。
4.根据权利要求3所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：步骤S5中，终锻时，设备能量设置为：500ton-550ton。
5.根据权利要求1所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：在步骤S5中，将终锻压下率控制在10%-15%范围内，终锻加热温度控制在1050±10℃范围内。
6.根据权利要求2所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：步骤S5中，对加热好的所述股骨柄毛坯的颈干角进行预弯时，预弯角度设置为2°-5°。
7.根据权利要求3所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：步骤S1中，以所述基准分区的桥部为基准，其他所述型腔分区的桥部的高度降低范围为：0.2 mm -0.6mm。
8.根据权利要求1所述一种合金股骨柄锻件的锻造方法，其特征在于：步骤S2中，将所述股骨柄毛坯的厚度方向尺寸精度控制在±0.4mm之内。
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