[發明專利]鈦合金人工關節曲面湍流精密加工方法及裝置

有效

• 申請號: 201510077279.8
• 申請日: 2015-02-13
• 公開（公告）號: CN104690632B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 張利;計時鳴;文東輝;樸鐘宇;戴勇;單曉杭;張瑞;王金順
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B24B31/00
• 分類號: B24B31/00;B24B31/12
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙)33213
• 代理人: 吳秉中

技術領域

本發明涉及人工關節加工技術領域，尤其適用于加工復雜的異性曲面的鈦合金人工關節，更具體的說，涉及一種鈦合金人工關節曲面湍流精密加工方法及裝置。

背景技術

人工關節是一種具有關節功能的器官，隨著科學技術的發展和人民生活水平的提高，人工關節的需求將不斷擴大。

經過成型燒結后的鈦合金人工關節假體并不能直接適用于人體內部，還需要經過一系列的研磨、拋光等后續工藝處理，最終獲得平滑、均勻、高質量表面并與人體骨頭配合良好的人工關節。人工關節表面的光整程度對其功能和使用壽命有著至關重要的影響。鈦合金以其高強度低模量的特性在人工關節設計中廣泛被采用，但鈦合金的表面光整加工中存在切削加工性差、導熱系數低等缺陷，且人工關節表面多為復雜曲面，采用傳統拋光方法難以對一些表面進行有效加工，現今，人工關節拋光主要由手工操作，拋光效率低且拋光質量難以穩定。

因此，本發明提出了一種新型的鈦合金人工關節光整加工方法，并設計了使用于該方法的專用加工工件，采用本發明提供的加工方法，加工效率更高、加工精度更高，且擺脫了傳統方法中對工具的依賴。

發明內容

本發明的目的在于克服在對人工關節的復雜曲面表面進行光整加工時，由于鈦合金人工關節表面的復雜性，導致無法對工件的表面進行良好的接觸加工，且加工效果不佳的問題，提出了一種加工效率高、加工精度高、加工均勻的鈦合金人工關節湍流精密加工方法及裝置。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：鈦合金人工關節曲面湍流精密加工方法，其特征在于：使用專用的方形加工裝置，與鈦合金人工關節假體一起構件用于加工鈦合金人工關節假體的仿形流道，并使用固液二相磨粒流在仿形流道中快速流動形成充分湍流，仿形流道中內固液二相磨粒流中的磨粒跟隨固液二相磨粒流對鈦合金人工關節假體進行無序的微力微量的切削，從而實現鈦合金人工關節假體的光整加工；在此加工過程中，向仿形流道內間歇通入高壓氣體，高壓氣體沖擊磨粒向工件分布，以提高磨粒碰撞鈦合金人工關節假體的表面的幾率并防止磨粒沉入仿形流道底部。

鈦合金人工關節曲面湍流精密加工裝置，包括流道底座、仿形端蓋、鈦合金人工關節假體，其特征在于：所述流道底座套裝在鈦合金人工關節假體外，仿形端蓋套裝在流道底座底部；所述仿形端蓋內表面與鈦合金人工關節假體外表面間形成厚度均勻分仿形流道；所述流道底座兩端設有仿形流道出口和仿形流道入口；

所述仿形端蓋由微孔材料制成，仿形端蓋的外表面上還設有三個空腔，三個空腔的入口連接同一個入氣口且三個空腔的入口處均設有電磁比例閥；所述仿形端蓋與三個空腔的連接處設有隔水透氣膜。

進一步的，所述仿形端蓋內表面的仿形曲面形狀與所述鈦合金人工關節假體的形狀一致，所述仿形端蓋安裝在所述鈦合金人工關節假體的下方。

進一步的，所述電磁控制閥采用脈沖控制的方式進行控制。

進一步的，所述入氣口處還設有電磁控制閥。

仿形端蓋兩端分別為固液二相磨粒流流道和三個空腔，當所述空腔內氣壓大于流道內水壓時，氣體能夠通過微孔材料上的微孔進入流道，而在流道中，由于氣體的進入導致流體出現短暫的截流，因此，每個空腔的入氣口均裝有一個電磁控制閥，電磁控制閥采用脈沖控制，電磁控制閥的控制標準為：當電磁控制閥接收到低頻脈沖時，調整其閥值控制進氣量，保證空腔內的氣壓不會大于仿形流道內的水壓；當電磁控制閥接收到高頻脈沖時，調整其閥值控制進氣量，保證空腔內的氣壓瞬間遠大于流道內水壓；低頻脈沖信號持續時間比高頻脈沖信號長。由于持續時間短暫，流體截流現象并不明顯，流體能夠正常在流道內流動，最終從流道出口流出。

通過對流道內固液二相磨粒流的仿真可知，流道內流體的壓力分布并不均與，壓力分布從流道入口到流道出口呈降低趨勢。因此，在仿形端蓋下面并排裝了三個小空腔，每個小空腔密封隔開，同時，在每個小空腔的氣體入口處，安裝有電磁比例閥，三個電磁比例閥分別保證對應小空腔內氣壓與對應流道內相應部位的水壓相配合，這樣，保證流道內每一區域內，在氣體沖擊進入流道后，磨粒被沖擊拋起的程度一致，保證了磨粒分布的均勻性。

本發明的有益效果在于：結構簡單、易于設計和制造；仿形端蓋和鈦合金人工關節假體表面形成良好的仿形，軟性磨粒流可與人工關節假體表面形成良好的接觸，使鈦合金人工關節的加工精度更高、加工效果更均勻；加工過程可以完全自動化進行，且擺脫了利用工具進行光整加工的束縛；引入氣體沖擊磨粒流，增加了磨粒沖擊碰撞工件的幾率，提高了加工效率。

附圖說明

圖1是本發明鈦合金人工關節曲面湍流精密加工裝置的結構示意圖。