CN203282284U

CN203282284U - 钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置

Info

Publication number: CN203282284U
Application number: CN2013203250550U
Authority: CN
Inventors: 马宏亮; 李长河
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2023-06-06

Abstract

本实用新型涉及一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，该装置具有磁流液利用率高、抛光质量均匀一致、可以抛光复杂曲面等特点，完全能够满足现在的临床需求。在机架的下部设有工作台，工作台上方是对应的六自由度并联机床；密闭循环的磁流液回路与磁流液通道相连，磁流液通道放置在工作台的支架上，磁流液通道的下方留有钛合金假体的安装孔，磁流液通道和钛合金假体中间安装有密封垫圈，钛合金假体固定在压力杆中；六自由度并联机床与电磁铁连接，通过调节电磁铁端面和磁流液通道表面的间隙来控制通过磁流液的磁场强度的大小，以此来控制磁流液中磨粒对钛合金表面切削力的大小；六自由度并联机床、电磁铁以及磁流液回路与控制装置连接。

Description

钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种机械加工磁流变抛光装置，具体的为一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置。

背景技术

钛合金人工膝关节是一种具有关节功能的器官。由于战争、疾病、工伤、交通事故、意外伤害及人口老化等原因，致使数以百万的人体关节受损，导致疼痛、活动受限和失稳。在我国，大约有3000万人需要进行钛合金人工膝关节植入，其中进口产品市场约占1/4,主要用户在大中型医院，而国产产品的主要用户是经济相对落后地区的医院。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，预计钛合金人工膝关节的需求将会不断扩大，年增长约为25%。钛合金是最早应用于人工膝关节制造的一种材料，至今仍在临床上有着广泛的应用，其中钛及钛合金由于具有较好的强度、耐蚀性及生物相容性而成为有代表性的组织工程材料之一，占据大部分的关节假体市场。

钛合金一般按退火组织分为α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金三类。

钛是同素异构体，在温度低于882℃时呈密排六方品格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方晶格结构，称之为β钛。钛合金各种牌号是在钛的两种不同结构组织中添加不同种类和数量的合金元素而成。α型钛合金的牌号有TA1～TA8。β型钛合金有TB1、TB2、α＋β型钛合金有TC1～TC10。

钛合金材料具有如下机械性能：

(1)比强度高，常用α＋β钛合金的强度σ_b=1.03～1.2GPa（103～120kg/mm²），密度ρ=4.4g/cm³，比强度σ_b/ρ=23～27；而合金钢的σ_b=1.3～1.6GPa，密度ρ=7.9g/cm³，比强度σ_b/ρ=16～20；

(2)耐热性高，其工作温度可达500℃，在300～350℃温度下钛合金的强度比铝合金高10倍。

(3)抗腐蚀性好，在海水及海洋大气中的抗腐蚀性很高。

(4）钛的热导率小，为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/16。钛合金的热导率更低，约为钛的1/2。TC4的热导率λ=7.955W/(m·K)。

(5)化学活性大，能与大气中氢、氧、氮等起化合作用，开始强烈的吸收氢、氧、氮的温度分别为300℃，500℃和600℃，这些元素与钛合金表面作用以后，形成了硬脆表层，深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%；

(6)弹性模量小，钛的弹性模量E=108GPa，钛合金的弹性模量要低于纯钛，约为钢的55%，故钛合金易产生弹性变形。目前钛合金多用于磨削加工的方法来获得所需要的表面质量、光整精度以及表面完整性的要求。

钛合金的磨削加工特点如下：

（1）磨削力大磨削钛合金时，和一般磨削规律一样，径向力大于切向力。钛合金强度高，磨削过程中变形剧烈，砂轮粘附严重，故在相同条件磨削TC9的径向分力约比45钢大4倍，切向分力大80%左右。

（2）磨削温度高钛合金磨削时滑擦过程所占比重大，时常形成挤裂切屑，摩擦严重，急剧的弹性、塑性变形产生大量的磨削热，致使磨削区的温度很高，而钛合金的热导率仅为碳钢的1/5，使热量不易散发，在相同条件下，磨削TC9的磨削温度为45钢的1.5~2倍，最高时可达1000℃。

（3）易产生烧伤裂纹由于磨削温度高，在磨削表面产生较大的热应力，不仅容易发生磨削烧伤，并出现磨削微裂纹。这些微裂纹呈发纹状，其方向大致与磨削方向垂直，磨削表面呈现黄褐色色斑。由于磨削热的影响，工件表面产生残余拉应力，使零件疲劳强度降低，影响零件的使用寿命。

（4）砂轮粘附严重且易磨损失效钛合金在高温化学活性高，在高温下易与空气中的氧、氮等元素发生化学反应形成硬度很高的硬化层和脆化层，加快砂轮的磨损；此外，磨削区的局部高温、高压作用，使磨粒与金属表面发生粘附。而高温下钛合金与磨粒化学元素的相互扩散又造成扩散磨损，从而加速了砂轮的磨损过程。观察磨削后的砂轮，钛呈云雾分布，几乎看不到砂轮磨粒。

（5）表面质量不易保证钛合金磨削时，工件表面易产生有害的残余拉应力和表面污染层，表面粗糙度数值较大。磨后表面残余拉应力数值大小随磨削用量的加大而增大，磨削速度是残余拉应力的主要影响因素。

（6）生产效率低钛合金磨削时，砂轮易磨损钝化、粘附堵塞，导致磨削比很低。因此，在保证所要求的零件加工精度的条件下，很难获得较高的生产率。相同条件下，磨削TC4的磨削比只有1.53，而45钢为71.5，约为45钢的1/47。

钛合金人工膝关节表面的光整程度对其功能和使用寿命有着至关重要的影响。钛合金以其高强度低模量的特性在人工膝关节中广泛被采用，但目前钛合金的表面光整加工中存在切削加工性差、导热系数低等缺陷，且钛合金人工膝关节表面多为复杂曲面，目前钛合金人工膝关节抛光主要由手工操作，抛光质量难以满足临床要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为解决上述问题,提供一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，该装置具有磁流液利用率高、抛光质量均匀一致、可以抛光复杂曲面等特点，完全能够满足现在的临床需求。

为实现上述目的,本实用新型采用如下技术方案：

一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，在机架的下部设有工作台，工作台上方是对应的六自由度并联机床；密闭循环的磁流液回路和钛合金假体匹配的磁流液通道相连，磁流液通道放置在工作台的支架上，并且磁流液通道的下方留有钛合金假体的安装孔，磁流液通道和钛合金假体中间安装有密封垫圈，钛合金假体固定在压力杆中，并将压力杆固定在支架上；六自由度并联机床与电磁铁连接，并使电磁铁端面按照规定的轨迹运动，通过调节电磁铁端面和磁流液通道表面的间隙来控制通过磁流液的磁场强度的大小，以此来控制磁流液中磨粒对钛合金表面切削力的大小；六自由度并联机床、电磁铁以及磁流液回路与控制装置连接。

所述磁流液回路包括储液罐，储液罐内设有搅拌器；储液罐与输液管路连接，输液管路与输液管支路连接，输液管之路通过快速夹头Ⅱ与磁流液通道一端连接，磁流液通道另一端通过快速夹头Ⅰ与回液管路连接，回液管路与储液罐连接，在输液管路上设有输送泵；输液管路还与溢流管路连接，溢流管路与储液罐连接；输送泵与控制装置连接。

所述输液管路支路上设有压力流量检测仪。

所述溢流管路设有溢流阀。

所述压力杆上加工有定位孔Ⅰ和定位孔Ⅱ，定位孔Ⅰ和定位孔Ⅱ的侧面分别加工有两个螺纹通孔，并安装有相应紧固螺钉Ⅰ和紧固螺钉Ⅱ。

所述电磁铁通过隔磁板I与六自由度并联机床连接，电磁铁由铁芯和线圈绕组组成，通过控制装置控制通过线圈绕组交流电的有无来控制电磁场的有无，或通过控制通过线圈绕组交流电的大小来控制电磁场强度的大小。

所述磁流液通道下面的安装孔边缘处呈阶梯状。

所述压力杆上表面固定有隔磁板Ⅱ。

本实用新型采用磁流变抛光技术光整加工钛合金人工膝关节，是使用磁场改变磁流液体的粘度，磁流液体不断地在密闭管路之间循环，电磁场使液体中的固相之间不断交替，磁流变抛光液由输送泵送达钛合金表面，并以一定速度流动，此时将交流电磁铁通电并通过六自由度并联机床使其反复往返作用于钛合金表面，这种抛光液在磁场作用下便会在相应区域产生磁流变效应，在接触区产生剪切压力并去除工件表面材料。材料去除量由磁场强度和抛光时间决定。由于去除率和流体粘度有关，因此去除率是很稳定的。通过监测和控制使流体粘度保持在±1％以内。通过改变磁流液的流速和磁场强度来调整去除率，产生光滑无损伤表面的同时得到相对高的稳定的材料去除率。不同于传统抛光，磨粒法向载荷能划伤工件表面，磁流变抛光依靠剪切模式去除材料，磨粒在法向方向不受任何法向力。

磁流变抛光加工钛合金人工膝关节的优点如下：

（1）磁流变抛光加工是一种柔性抛光方法，不产生表面变质层，加工效率高，表面粗糙度可达到纳米级，能够实现对复杂表面的抛光加工；

（2）在其它工艺参数不变的条件下，通过控制磁场强度和磁场分布以及在加工区域的驻留时间，可实现对材料的定量抛光；

（3）磁流液在制造和使用中不受化学杂质的影响，原材料无毒，对环境友好。

磁流液是一种对磁场敏感的固液混合两相液流，它有磁性颗粒、基液和表面活性剂组成，磁场颗粒一般选用高饱和磁化强度的球形羰基铁微粉，粒径在0.01～10μm之间，比重大约为7～8g/cm³。理想的磁流液在零磁场时必须具有良好的流动性，这要求磁性颗粒的含量不能太大；同时磁流液在磁场作用下应具备显著的磁流变效应，这又要求磁场颗粒的含量应尽可能大，通常其体积浓度在20%～50％之间。

基液是磁流液的载体，要求热稳定性好、挥发低、无污染、易流动、绝缘、绝磁，基液不同则磁流液的特征也不同。此外，基液还涉及与磁性颗粒的亲和性，高亲和力有利于减少颗粒的沉淀作用，但会阻碍其运动，从而延长响应时间；低亲和力刚好与此相反。目前采用的基液有水、煤油、酯、硅油、碳化氟以及聚苯醚等。由于磁性颗粒为无机类固体微粒，不溶解或不易分散在基液中，因此在磁性颗粒和基液的固液两相之间加入表面活性剂，它将磁性颗粒的表面包覆起来，使之彼此分开，均匀稳定地悬浮于基液中。表面活性剂必须具有特殊的分子结构，一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的功能团，另一端还需有一个极易分散于基液中适当长度的弹性基团。常用的表面活性剂包括油酸、亚酸酸、亚麻酸、硅烷偶联剂等。

将抛光粉加入磁流液中并混合均匀，就制成了磁流变抛光液，零磁场时它是可流动的，然而在外磁场作用下，磁流液的性质发生急剧变化，磁场颗粒聚结成链状结构，整个流体表现出类似固体的力学性质，抛光粉受力浮于液面上，撤除外磁场后磁流液又能恢复流动性，响应时间极短。

附图说明

图1为本实用新型的剖视结构图；

图2为人工膝关节示意图；

图3为压力杆的等轴测视图；

图4为电磁铁示意图。

其中，1—六自由度并联机床，2—机架，3—隔磁板Ⅰ，4—电磁铁铁芯，5—磁流液通道，6—钛合金股骨假体，7—密封垫圈，8—快速夹头Ⅰ，9—回液管路，10—工作台，11—支架，12—搅拌器，13—储液罐，14—溢流管路，15—输液管路，16—输送泵，17—溢流阀，18—压力流量检测仪，19—快速夹头Ⅱ，20—压力螺母，21—压力杆，22—集成控制面板，23—紧固螺钉Ⅰ，24—紧固螺钉Ⅱ，25—定位孔Ⅰ，26—定位孔Ⅱ，27—股骨，28—半月板假体，29—胫骨假体，30—胫骨，31—线圈绕组，32—隔磁板Ⅱ，33—输液管路支路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

图1为钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置剖视结构图，其中显示了钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置各个组成部件。由图1可知，储液罐13固定在机架2上，其中储液罐13中安装有搅拌器12，用以保证磁流液中的磨粒和磁性颗粒混合均匀。储液罐13的中上部分开通有输液管路15，输液管路15上安装有输送泵16，这样输送泵16就能将储液罐13中的磁流液以一定压力输送出来。输液管路15的另一端分出两条支路，分别为输液管路支路33和溢流管路14，其中溢流管路14另一端和储液罐13下端相通，并且溢流管路14中安装有溢流阀17，溢流阀17能够起到控制输液管路支路33压力大小的作用，因为一旦输液管路支路33的压力过大，溢流管路14中的溢流阀17就会被开启，多余的磁流液就会通过溢流管路14流回到储液罐13中。输液管路支路33中安装有压力流量检测仪18，以此对输液管路33中的压力和流量进行动态监控。输液管路支路33的出口处安装有快速夹头Ⅱ，快速夹头Ⅱ另一端和磁流液通道5相连。钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置的工作台10上安装有支架11，磁流液通道5放置在支架11上，其中磁流液通道5和支架11相接触处形状相互配合，以此达到受力均匀，支撑稳定的效果。磁流液通道5使用反求技术，将钛合金股骨假体6的实体通过三维扫描生成三维实体模型，再由快速原型制造方法加工而来，其外部形状和钛合金股骨假体6的曲面形状相似，所采用的材料要具有较高的强度、耐磨性、绝磁性。磁流液通道5的下方并未完全封闭，留有钛合金股骨假体6安装孔，安装孔的形状和钛合金股骨假体6的外轮廓形状相似，但尺寸相对较小，这样既能满足不同尺寸的钛合金股骨假体6的光整加工，又能够保证磁流液通道5和钛合金股骨假体6配合的密封性。磁流液通道5和钛合金股骨假体6中间安装有密封垫圈，这样进一步保证了配合的密封性。磁流液通道5下面的安装孔边缘处呈阶梯状，这样能够保证磁流液平稳的进入到光整加工通道中，避免对钛合金股骨假体6的冲击。压力杆21上表面固定有隔磁板Ⅱ32来防止压力杆21对电磁铁所形成的磁场有所干扰。压力杆21上加工有定位孔Ⅰ25和定位孔Ⅱ26，定位孔Ⅰ25和定位孔Ⅱ26的侧面分别加工有两个螺纹通孔，并安装有相应紧固螺钉Ⅰ23和紧固螺钉Ⅱ24（如图3所示）。将钛合金股骨假体6的两个固定支腿放入相应的定位孔Ⅰ25和定位孔Ⅱ26中，并通过旋紧紧固螺钉Ⅰ23和紧固螺钉Ⅱ24对钛合金股骨假体6进行固定。将钛合金股骨假体6和压力杆21进行固定后，将压力杆21通过支架11上的通孔，并用压力螺母20旋紧。这样钛合金股骨假体6与磁流液通道5之间就形成了一定的压力，通过对压力的控制就能实现磁流液通道5和钛合金股骨假体6之间的密封性。磁流液通道5的出口端和快速夹头Ⅰ8相连，快速夹头Ⅰ8另一端和回液管路9相连，回液管路9和储液罐13下端相通，这样整个磁流液在光整加工过程中均处在一个密闭的循环管路中，实现了磁流液的循环高效利用。磁流液通道5的正上方机架2上安装有一个六自由度并联机床1，并联机床1下面固定有隔磁板Ⅰ，隔磁板Ⅰ能防止六自由度并联机床1对电磁铁所形成的磁场进行干扰。隔磁板Ⅰ下端安装有电磁铁铁芯4，电磁铁铁芯4上绕有线圈绕组31，电磁铁铁芯4和线圈绕组31组成了电磁铁，再通入相应的交流电便能形成电磁场。如图4所示，电磁铁铁芯4的形状为一长方体，长方体的长度要比钛合金股骨假体6的宽度要稍大，这样能保证电磁铁形成的磁场可以完全覆盖钛合金股骨假体6，保证光整加工的质量和效率。六自由度并联机床1能够保证电磁铁端面按照规定的轨迹运动，所以将磁流液通道5的表面函数输入到六自由度并联机床1的智能控制系统中就能够保证电磁铁端面按照磁流液通道5的曲面往复运动，在此过程中还可以通过控制电磁铁端面和磁流液通道5表面的间隙来控制通过磁流液的磁场强度的大小，以此来控制磁流液中磨粒对钛合金表面作用力的大小。机架2上安装有集成控制面板22，集成控制面板22可以控制整个抛光过程中的各个量，它可以通过控制输送泵16的流量的大小，从而控制磁流液通道5中的压力和流速；还可以控制电磁铁中的线圈绕组31中的电流的有无以及大小来控制磁场的有无和磁感应强度的大小；通过控制六自由度并联机床1的运动轨迹和往返运动次数来控制抛光轨迹和抛光时间。

图2为人工膝关节示意图，有图可知人工膝关节部分主要由股骨27、钛合金股骨假体6、半月板假体28、胫骨假体29和胫骨30组成。其中钛合金股骨假体6主要替代原来生长在股骨上的软骨，而半月板假体28代替了生长在胫骨30上的软骨，胫骨假体29对半月板假体28起固定支撑作用，用骨水泥将钛合金股骨假体6和胫骨假体29分别固定在股骨27和胫骨30上。这样钛合金股骨假体6和半月板假体28之间就形成了滑动副，实现了用人工膝关节替代生物膝关节。

本实用新型的工作过程如下：

在进行抛光过程前要做一些相应的准备工作。首先要使用反求技术，将钛合金股骨假体6的实体通过三维扫描生成三维实体模型，再由快速原型制造方法加工出磁流液通道5，磁流液通道5外部形状和钛合金股骨假体6的曲面形状相似，并保证对应点法向距离一致，所采用的材料要具有较高的强度、耐磨性和绝磁性。然后将密封垫圈7放在钛合金股骨假体6下表面上，再将钛合金股骨假体6的两个支腿对应放在压力杆21上的定位孔Ⅰ25和定位孔Ⅱ26中，并拧紧紧固螺钉Ⅰ23和紧固螺钉Ⅱ24对钛合金股骨假体6进行固定。将钛合金股骨假体6安装到磁流液通道5中，保证位置精度，然后将压力杆21下端通过压力螺母20旋紧在支架11中，这样就在钛合金股骨假体6和磁流液通道5之间形成了一定的压力，并且密封垫圈7保证了二者接合的密闭性。最后利用快速夹头Ⅰ8将输液管路支路33和磁流液通道5相连，利用快速夹头Ⅱ19将磁流液通道5和回液管路9相连。

完成前提准备工作后就进行抛光工作。通过集成控制面板22启动输送泵16，将储液罐13中的磁流液以一定流量输送到输液管路15中，输液管路15的另一端分出两条支路，分别为输液管路支路33和溢流管路14，其中溢流管路14另一端和储液罐13下端相通，并且溢流管路14中安装有溢流阀17，溢流阀17能够起到控制输液管路支路33压力大小的作用，因为一旦输液管路支路33的压力过大，溢流管路14中的溢流阀17就会被开启，多余的磁流液就会通过溢流管路14流回到储液罐13中。输液管路支路33中安装有压力流量检测仪18，以此对输液管路33中的压力和流量进行动态监控，控制在一个合理的范围内。这样磁流液就能够顺利的流进磁流液通道5中，并沿着回液管路9流回储液罐13中，形成一个密闭的循环回路。在确保整个密闭循环回路中没有磁流液泄露的情况下将钛合金股骨假体6的数学模型导入到六自由度并联机床1的智能控制系统中，设定好电磁铁端面沿磁流液通道5表面的运动轨迹，并设定好往复运动的频率以及抛光时间。最终将电磁铁通入交流电，则磁流液就处在电磁铁的磁场作用下，随着磁流变效应发生，磁流液的粘度就会发生变化，从而使得磁流液中的磨粒对钛合金股骨假体6表面进行抛光。由于磁场同样按磁流液通道5的表面做往复运动，所以能够保证最终抛光效果的均匀一致性。

经过一定时间完成抛光工序以后，通过集成控制面板22关闭六自由度并联机床1和电磁铁中的电流，然后停止输送泵16。此时将压力螺母20松开，将钛合金股骨假体6从磁流液通道5中取出，然后松开紧固螺钉Ⅰ23和紧固螺钉Ⅱ24，卸下钛合金股骨假体6并对其表面进行冲洗烘干，这样便完成了整个钛合金股骨假体6的磁流变抛光过程。

Claims

1.一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，在机架的下部设有工作台，工作台上方是对应的六自由度并联机床；密闭循环的磁流液回路与形状与钛合金假体匹配的磁流液通道相连，磁流液通道放置在工作台的支架上，并且磁流液通道的下方留有钛合金假体的安装孔，磁流液通道和钛合金假体中间安装有密封垫圈，钛合金假体固定在压力杆中，并将压力杆固定在支架上；六自由度并联机床与电磁铁连接，并使电磁铁端面按照规定的轨迹运动，通过调节电磁铁端面和磁流液通道表面的间隙来控制通过磁流液的磁场强度的大小，以此来控制磁流液中磨粒对钛合金表面切削力的大小；六自由度并联机床、电磁铁以及磁流液回路与控制装置连接。

2.如权利要求1所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述磁流液回路包括储液罐，储液罐内设有搅拌器；储液罐与输液管路连接，输液管路与输液管支路连接，输液管之路通过快速夹头Ⅱ与磁流液通道一端连接，磁流液通道另一端通过快速夹头Ⅰ与回液管路连接，回液管路与储液罐连接，在输液管路上设有输送泵；输液管路还与溢流管路连接，溢流管路与储液罐连接；输送泵与控制装置连接。

3.如权利要求2所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述输液支路上设有压力流量检测仪。

4.如权利要求2所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述溢流管路设有溢流阀。

5.如权利要求1所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述压力杆上加工有定位孔Ⅰ和定位孔Ⅱ，定位孔Ⅰ和定位孔Ⅱ的侧面分别加工有两个螺纹通孔，并安装有相应紧固螺钉Ⅰ和紧固螺钉Ⅱ。

6.如权利要求1所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述电磁铁通过隔磁板I与六自由度并联机床连接，电磁铁由铁芯和线圈绕组组成，通过控制装置控制通过线圈绕组交流电的有无来控制电磁场的有无，或通过控制通过线圈绕组交流电的大小来控制电磁场强度的大小。

7.如权利要求1所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述磁流液通道下面的安装孔边缘处呈阶梯状。

8.如权利要求1所述的钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，其特征是，所述压力杆上表面固定有隔磁板Ⅱ。