[發(fā)明專利]鈦合金人工膝關(guān)節(jié)磁流變拋光加工裝置

有效

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• 申請日: 2013-06-06
• 公開（公告）號: CN103252686A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李長河;馬宏亮
• 申請（專利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種機械加工磁流變拋光裝置，具體的為一種鈦合金人工膝關(guān)節(jié)磁流變拋光加工裝置。

背景技術(shù)

鈦合金人工膝關(guān)節(jié)是一種具有關(guān)節(jié)功能的器官。由于戰(zhàn)爭、疾病、工傷、交通事故、意外傷害及人口老化等原因，致使數(shù)以百萬的人體關(guān)節(jié)受損，導(dǎo)致疼痛、活動受限和失穩(wěn)。在我國，大約有3000萬人需要進行鈦合金人工膝關(guān)節(jié)植入，其中進口產(chǎn)品市場約占1/4,主要用戶在大中型醫(yī)院，而國產(chǎn)產(chǎn)品的主要用戶是經(jīng)濟相對落后地區(qū)的醫(yī)院。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，預(yù)計鈦合金人工膝關(guān)節(jié)的需求將會不斷擴大，年增長約為25%。鈦合金是最早應(yīng)用于人工膝關(guān)節(jié)制造的一種材料，至今仍在臨床上有著廣泛的應(yīng)用，其中鈦及鈦合金由于具有較好的強度、耐蝕性及生物相容性而成為有代表性的組織工程材料之一，占據(jù)大部分的關(guān)節(jié)假體市場。

鈦合金一般按退火組織分為α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金三類。

鈦是同素異構(gòu)體，在溫度低于882℃時呈密排六方品格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱之為β鈦。鈦合金各種牌號是在鈦的兩種不同結(jié)構(gòu)組織中添加不同種類和數(shù)量的合金元素而成。α型鈦合金的牌號有TA1～TA8。β型鈦合金有TB1、TB2、α+β型鈦合金有TC1～TC10。

鈦合金材料具有如下機械性能：

(1)比強度高，常用α+β鈦合金的強度σ_b=1.03～1.2GPa(103～12Okg/mm²)，密度ρ=4.4g/cm³,比強度σ_b/ρ=23～27;而合金鋼的σ_b=l.3～1.6GPa,密度σ=7.9g/cm³,比強度σb/ρ=16～20;

(2)耐熱性高，其工作溫度可達500℃，在300一350。C溫度下鈦合金的強度比鋁合金高10倍。

(3)抗腐蝕性好，在海水及海洋大氣中的抗腐蝕性很高。

(4)鈦的熱導(dǎo)率小，為鎳的1/4,鐵的l/S,鋁的1/16。鈦合金的熱導(dǎo)率更低，約為鈦的1/2。TC4的熱導(dǎo)率λ=7.955W/(m·K)o

(5)化學(xué)活性大，能與大氣中氫、氧、氮等起化合作用，開始強烈的吸收氫、氧、氮的溫度分別為300。C，50O。C和600。C，這些元素與鈦合金表面作用以后，形成了硬脆表層，深度可達0.1～0.15mm，硬化程度為20%～30%；

(6)彈性模量小，鈦的彈性模量E=108GPa，鈦合金的彈性模量要低于純鈦，約為鋼的55%，故鈦合金易產(chǎn)生彈性變形。目前鈦合金多用于磨削加工的方法來獲得所需要的表面質(zhì)量、光整精度以及表面完整性的要求。

鈦合金的磨削加工特點如下：

（1）磨削力大磨削鈦合金時，和一般磨削規(guī)律一樣，徑向力大于切向力。鈦合金強度高，磨削過程中變形劇烈，砂輪粘附嚴重，故在相同條件磨削TC9的徑向分力約比45鋼大4倍，切向分力大80%左右。

（2）磨削溫度高鈦合金磨削時滑擦過程所占比重大，時常形成擠裂切屑，摩擦嚴重，急劇的彈性、塑性變形產(chǎn)生大量的磨削熱，致使磨削區(qū)的溫度很高，而鈦合金的熱導(dǎo)率僅為碳鋼的1/5，使熱量不易散發(fā)，在相同條件下，磨削TC9的磨削溫度為45鋼的1.5～2倍，最高時可達1000℃。

（3）易產(chǎn)生燒傷裂紋由于磨削溫度高，在磨削表面產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，不僅容易發(fā)生磨削燒傷，并出現(xiàn)磨削微裂紋。這些微裂紋呈發(fā)紋狀，其方向大致與磨削方向垂直，磨削表面呈現(xiàn)黃褐色色斑。由于磨削熱的影響，工件表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，使零件疲勞強度降低，影響零件的使用壽命。

（4）砂輪粘附嚴重且易磨損失效鈦合金在高溫化學(xué)活性高，在高溫下易與空氣中的氧、氮等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硬度很高的硬化層和脆化層，加快砂輪的磨損；此外，磨削區(qū)的局部高溫、高壓作用，使磨粒與金屬表面發(fā)生粘附。而高溫下鈦合金與磨粒化學(xué)元素的相互擴散又造成擴散磨損，從而加速了砂輪的磨損過程。觀察磨削后的砂輪，鈦呈云霧分布，幾乎看不到砂輪磨粒。

（5）表面質(zhì)量不易保證鈦合金磨削時，工件表面易產(chǎn)生有害的殘余拉應(yīng)力和表面污染層，表面粗糙度數(shù)值較大。磨后表面殘余拉應(yīng)力數(shù)值大小隨磨削用量的加大而增大，磨削速度是殘余拉應(yīng)力的主要影響因素。

（6）生產(chǎn)效率低鈦合金磨削時，砂輪易磨損鈍化、粘附堵塞，導(dǎo)致磨削比很低。因此，在保證所要求的零件加工精度的條件下，很難獲得較高的生產(chǎn)率。相同條件下，磨削TC4的磨削比只有1.53，而45鋼為71.5，約為45鋼的1/47。