[發明專利]一種用于人體假肢膝關節的鋁合金零件的近凈成形方法

有效

• 申請號: 201110273282.9
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN102441630A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: 歷長云;冀國良;汪東亞;李雷;米國發
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: B21J5/02
• 分類號: B21J5/02
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 王慶海;王宇楊

技術領域

本發明屬于鋁合金鍛件設計制造領域，涉及一種用于人體假肢膝關節的鋁合金零件的近凈成形方法。

背景技術

假肢一直是機器人學和生物醫學工程領域的一個前沿性研究課題。假肢在代償人體缺失功能方面取得了突出的成績。目前在我國人口中殘疾人占5％左右，肢體殘疾人約877萬人，占殘疾人總數的14.6％，其中近100萬人需要安裝假肢。對假肢領域相關項目的研究一直受到國家民政部和中國殘疾人聯合會的高度重視。隨著國民經濟快速健康發展和人民生活水平不斷提高，迫切需要對假肢產品進行優化升級。

膝關節是人體假肢中的關鍵部件，膝關節中有關部件的現有生產工藝是：材料經過多次鍛造成坯形后，再初加工至精加工，生產工序繁多，要形成大批量生產所需的設備、廠房、要求高、投入大，致使產品成本高居不下，此類部件年需要量很大，目前基本依賴于進口，在國內市場價格較高，而廣大中、低收入的殘疾人根本無法承受。

目前關于假肢膝關節生產方式主要包括機械加工及熔模鑄造，對于機械加工，其成本高、切削多，不適合大批量生產；對于熔模鑄造生產的鑄件，其鑄造后鑄件內部晶粒組織粗大，容易產生縮孔、縮松缺陷，并且鑄造后要進行熱處理工藝，從節能角度來講，不利于節能。在中國專利CN101120894A中描述了一種采用硅溶膠精密鑄造工藝取代鍛造工藝的假肢成型方法，雖然產品能夠一次澆注成形，可以免除諸多切削、鍛打工序，生產效率和材料利用率較高。但是受傳統工藝限制，鑄件的內部組織和力學性能要遠遠差于鍛件，特別是相對于形狀比較復雜、強度要求高的假肢膝關節中有關部件，采用硅溶膠精密鑄造工藝所獲得的產品必須經過熱處理后才能滿足相關的強度和質量要求。

近凈成形技術是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構件的成形技術。工業發達國家一直致力于開發近凈成形新技術，近凈成形所占比重和成形件精度以及成形零件的復雜程度都有很大提高。而在我國近凈成形技術在整個成形制造生產中所占比重還比較低，總體水平要比國外落后，很需要開發近凈成形方法來制造假肢膝關節。

發明內容

本發明提供了一種假肢膝關節鋁合金零件的近凈成形方法，其選用6063合金擠壓棒料為原料，進行模鍛。該工藝簡單，能夠實現近凈成形，所得鍛件表面光潔、尺寸精度高，可以達到少切削或無切削的目的。該工藝不僅提高了材料利用率和勞動生產率，而且使假肢的生產成本顯著降低，且零件的表面光潔度比較高，可進行批量生產；在確保額定強度和質量的前提下，大幅度提高批量生產的適應性。

6063鋁合金是6×××系鋁合金中合金化較低、性能較好的一種。它具有一系列的寶貴的綜合性能，包括良好的耐蝕性能和工藝性能，足夠的塑性，可進行陽極氧化著色和其它各種表面處理。因此，本發明選用6063鋁合金。6063鋁合金鍛造成型后，其結構會變得非常緊密扎實，組織性能得到很大提高。

國家標準對6063鋁合金的化學成分規定如表1所示。

表16063鋁合金化學成分標準

本發明公開一種用于人體假肢鋁合金膝關節的近凈成形方法，所述的制造工藝參數包括：坯料的大小，形狀及厚度；坯料的加熱溫度、保溫時間；模具溫度；預鍛溫度及終鍛溫度。

膝關節的圓盤壁較薄，圓盤底部有四個對稱凸起的部位，整體壁厚差別比較大，成形較困難，所以坯料厚度對成形有較大影響，坯料太薄，在模鍛時一次成型能力較差，坯料太厚時成形后圓盤處較厚，容易導致鍛件重量加大。此外，對于坯料形狀，采用方形坯料倒圓角效果比較理想，但是該方形坯料要求一定要定位精準，在具體實踐過程中，由于很難達到精確定位而造成鍛件成形性不好，或者鍛造出其他形狀的產品，故本發明選用圓形坯料。

坯料鍛造溫度是影響鍛造工藝成敗的關鍵因素，鍛造溫度高，則金屬的塑性高，變形抗力小，變形時消耗的能量小。但加熱溫度過高，不但氧化嚴重，還會引起過熱、過燒。

模具溫度對鍛件成形有較大影響，當模具溫度較低時，由于坯料接觸模具后散熱過快，由于坯料表面激冷而造成阻力和變形抗力增加，在變形過程中產生內外應力差，而導致鍛件開裂，成形困難；模具預熱溫度越高，鍛件成形性越好，但是模具壽命大大降低。

成形過程中，很難一次模鍛成形，因此本發明工藝上改為預鍛+終鍛，其充型效果隨模鍛次數的增加而增加。

因此，本發明一種用于人體假肢膝關節的鋁合金零件的近凈成形方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)備料：

提供一種用于膝關節的擠壓態圓形坯料，該坯料為6063鋁合金，直徑為60mm-80mm，厚度為5.6mm-6.0mm；