類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置及其方法與流程

2023-12-11 06:30:57 1

本發明涉及磨粒流拋光技術領域，更具體的說，尤其涉及一種類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置及其方法。

背景技術：

人工關節是人們為挽救已失去功能的關節而設計的一種人工器官，它在人工器官中屬於療效最好的一種。人工關節的材料一般常用材料為金屬合金，其中特種鈦合金因其生物相容性、耐腐性、和彈性模量等與人體骨骼接近，適合於製造人工關節。人工關節表面質量決定了表面摩擦性質，粗糙度越大，表面微凸體發生接觸機率增大，導致粘著磨損增大。而眾所周知，鈦合金加工工藝性差，難以切削。而鈦合金人工關節由不同曲率的曲面組成，現有的精密加工技術難以適應曲率多變的曲面，人工關節仍然沿用效率低下的人工打磨。人工關節價格昂貴，已經難以滿足市場的廣泛需求。

磨粒流加工技術是現有的比較先進的進行人工關節打磨的技術，磨粒流加工技術是一種採用專用夾具對複雜模具型腔表面形成結構化流道，並採用磨粒與液體混合的流體磨料不斷衝刷被加工表面的光整加工方法。在加工過程中，軟性磨粒流在工件表面與約束模塊構成的約束仿形流道中形成湍流流動，磨粒在湍流的帶動下無序地撞擊加工表面達到切削效應，這種拋光方法不僅克服了由於加工輪廓複雜、尺度細小帶來的加工困難。流體加工方法是通基液驅動磨粒對工件表面進行微小的犁削。其微量切削能保證複雜曲面的位置和形狀精度，防止造成加工零件表面出現加工變質層和亞表面損傷。

專利申請號為201110041218.8的「鈦合金人工關節曲面湍流精密加工新方法及其專用裝置」提供了一種局部覆蓋約束式鈦合金人工關節湍流精密加工的新方法，通過與待加工的假體形狀相一致的配模，在人工關節假體外表面和配模內表面的流道內形成湍流，利用磨粒的微力微量切削的頻繁作用實現表面的逐步光整。但是人工關節表面為複雜曲面，磨粒流流經人工關節表面拐點和奇點的突變點處時容易受阻，且越靠近曲面的地方，磨粒流的粘性阻尼減少了切向速度脈動，同時複雜曲面阻止了法向速度脈動，離開曲面稍微遠點的區域，由於磨粒流平均速度梯度的增加，磨粒流的湍流動能迅速產生變化，使得拋光不均勻，難以達到理想的拋光效果。

在進行人工關節磨粒流拋光加工前，我們需要對湍流拋光情況進行模擬測試，但由於人工關節的成本較高，通常採用的是類人工關節件來模擬人工關節，通過磨粒流湍流拋光裝置對類人工關節件的曲面進行拋光實驗，通過實驗結果來檢驗磨粒流拋光效果，從而制定拋光參數，實驗完成後才會根據需要設定拋光參數，再對人工關節進行生產加工。類人工關節件是一種與人工關節結構非常相似的工件，因為需要模擬加工的主要是人工關節兩端的曲面，為了簡化模擬過程，實際實驗中我們採用的類人工關節件的曲面是由一個平面彎曲而成的，與待加工曲面相連接的兩個側面呈平面狀，整個待加工曲面呈波浪形，待加工曲面在側面上的投影為一條曲線。

磨粒流加工是依靠磨粒流的湍流運動，帶動磨粒對加工表面進行無序無規則的加工，所以磨粒流的湍流動能衡量磨粒流加工效果的一個關鍵因素。磨粒流的湍流總動能隨時間的變化，湍流動能的變化是衡量湍流發展或衰退的指標。在加工過程中，隨著磨粒與加工表面的碰撞，磨粒流的湍流動能會不斷減少。針對這一問題，本發明提出了一種類人工關節件曲面湍流模擬拋光裝置及其方法，通過溫度控制對整個加工過程中磨粒流的湍流動能進行溫度補償，保證整個加工效果的均勻性。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決現有的類人工關節件湍流精密加工的過程中磨粒流的湍流總動能隨時間的變化導致整個加工過程中加工效果的均勻性比較差的問題，提供了一種類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置及其方法。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置，包括玻璃約束構件、溫度檢測裝置、三自由度移動裝置、電磁波加熱器、支撐架、氣膜泵、攪拌器和電磁波控制器，所述玻璃約束構件套裝在類人工關節件外，所述玻璃約束構件的內表面與類人工關節件的曲面表面形成厚度均勻的仿形流道，所述玻璃約束構件由壁厚相同的玻璃材料製成，所述玻璃約束構件的兩端分別設有仿形流道入口和仿形流道出口；所述仿形流道入口通過管道依次連接氣膜泵、攪拌器和仿形流道出口，仿形流道、氣膜泵和攪拌器通過管道構成磨粒流循環系統；所述溫度檢測裝置正對所述仿形流道並用於檢測所述仿形流道內的溫度分布情況，所述電磁波加熱器安裝在三自由度移動裝置上，三自由度移動裝置帶動電磁波加熱器在玻璃約束構件上方的三維空間內任意移動，三自由度移動裝置帶動電磁波加熱器移動時電磁波加熱器始終正對所述仿形流道；述電磁波加熱器與電磁波控制器電連接，電磁波控制器調節所述電磁波加熱器的電磁波強度。

進一步的，所述電磁波加熱器包括外罩、加熱源、凹透鏡和凸透鏡，加熱源、凸透鏡和凹透鏡均固定在外罩上，加熱源正對凹透鏡和凸透鏡，加熱源發出的電磁波依次經過凹透鏡和凸透鏡後發射道仿形流道內。

進一步的，所述電磁波加熱器上的加熱源設有沿垂直於仿形流道內磨粒流流動方向設置的一排，每個加熱源均正對一個凹透鏡和凸透鏡。

進一步的，所述三自由度移動裝置為三自由度機械手。

類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控方法，通過將玻璃約束構件套裝在類人工關節件外，在玻璃約束構件的內表面與類人工關節件的曲面表面之間形成厚度均勻的仿形流道，玻璃約束構件的兩端設有仿形流道入口和仿形流道入口出口，將磨粒流以湍流狀態經過仿形流道入口送入仿形流道中，再由仿形流道出口流出，通過仿形流道內磨粒流中磨粒的無序運動來實現類人工關節件曲面的微力微量切削，在切削過程中利用固定在三自由度移動裝置上的電磁波加熱器對仿形流道內的磨粒流進行加熱，三自由度移動裝置驅動電磁波加熱器在玻璃約束構件上方任意位置進行移動，從而實現電磁波加熱器對仿形流道內任意位置的磨粒流進行溫度補償，進而控制仿形流道內不同位置磨粒流的湍動能，從而控制仿形流道不同位置的拋光效果。

進一步的，電磁波加熱器對仿形流道內不同位置的補償溫度均不相同，補償溫度通過電磁波控制器設定指定位置時加熱源的波長來實現。

本發明的有益效果在於：

1、本發明通過類人工關節件曲面的仿形建立玻璃約束構件，玻璃約束構件與類人工關節件之間形成厚度均勻的磨粒流受控仿形流道，類人工關節件的被加工曲面成為仿形流道壁面的一部分，使研磨液以湍流狀態進入仿形流道中，通過磨粒流中磨粒的無序運動來實現表面的微力微量切削，達到鏡面級表面粗糙度，拋光精度高。

2、由於磨粒流在仿形流道中運動時存在沿程損失和水頭損失，尤其在曲率較大的流道處損失最為嚴重，因此導致了類人工關節件表面加工效果呈區域化分布。由於磨粒流切削液粘度與溫度之間的關係呈二次關係式，溫度越高，磨粒流切削液粘度越小，流動性越好，磨粒流動能和速度就越高，湍流動能越高，加工效果就越明顯，因此溫度是影響磨粒流加工效果的最主要的因素。本發明通過在玻璃約束構件上設置能隨三自由度移動裝置移動的電磁波加熱器對仿形流道內任意位置進行加熱，增加了對應加熱位置磨粒流切削液的湍動能和速度，補償仿形流道內磨粒流的沿程損失和水頭損失，從而改善了整體加工的效果，使類人工關節件表面加工質量更加的均勻。

3、本發明使用玻璃作為約束構件的製造材料，能有效的解決電磁波不能穿透非玻璃約束構件問題，且玻璃材質透明，有利於對磨粒流切削液流動狀態的進行觀察。

4、本發明電磁波加熱器其強度可調，且能通過調整凹透鏡和凸透鏡的位置來調節電磁波的聚光效果，能方便的調節其強度，穿透磨粒流切削液，而不過度溢出影響周邊加工環境。

5、本發明將電磁波加熱器製造成一整行的形狀，可以有效的仿形流道內一整行的位置進行加工，方便對相同溫度狀況的部位進行同步加熱，提高了加熱的效率。

附圖說明

圖1是本發明類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置的結構示意圖。

圖2是本發明仿形流道的結構示意圖。

圖3是本發明電磁波加熱器的結構示意圖。

圖4是本發明電磁波加熱器單個加熱源的工作狀態示意圖。

圖中，1-電磁波控制器、2-三自由度移動裝置、3-電磁波加熱器、4-玻璃約束構件、5-氣膜泵、6-攪拌器、7-仿形流道、8-仿形流道出口、9-類人工關節件、10-仿形流道入口、11-加熱源、12-凸透鏡、13-凹透鏡。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明：

如圖1～4所示，類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置，包括玻璃約束構件4、溫度檢測裝置、三自由度移動裝置2、電磁波加熱器3、支撐架、氣膜泵5、攪拌器6、和電磁波控制器1，所述玻璃約束構件4套裝在類人工關節件9外，所述玻璃約束構件4的內表面與類人工關節件9的曲面表面形成厚度均勻的仿形流道7，所述玻璃約束構件4由壁厚相同的玻璃材料製成，所述玻璃約束構件4的兩端分別設有仿形流道入口10和仿形流道出口8；所述仿形流道入口10通過管道依次連接氣膜泵5、攪拌器6和仿形流道出口8，仿形流道7、氣膜泵5和攪拌器6通過管道構成磨粒流循環系統；所述溫度檢測裝置正對所述仿形流道7並用於檢測所述仿形流道7內的溫度分布情況，所述電磁波加熱器3安裝在三自由度移動裝置2上，三自由度移動裝置2帶動電磁波加熱器3在玻璃約束構件4上方的三維空間內任意移動，三自由度移動裝置2帶動電磁波加熱器3移動時電磁波加熱器3始終正對所述仿形流道7；述電磁波加熱器3與電磁波控制器1電連接，電磁波控制器1調節所述電磁波加熱器3的電磁波強度。

所述電磁波加熱器3包括外罩、加熱源11、凹透鏡13和凸透鏡12，加熱源11、凸透鏡12和凹透鏡13均固定在外罩上，加熱源11正對凹透鏡13和凸透鏡12，加熱源11發出的電磁波依次經過凹透鏡13和凸透鏡12後發射道仿形流道7內。所述電磁波加熱器3上的加熱源11設有沿垂直於仿形流道7內磨粒流流動方向設置的一排，每個加熱源11均正對一個凹透鏡13和凸透鏡12。

所述三自由度移動裝置2為三自由度機械手。

加工開始時，磨粒流切削液進入攪拌器6內，通過攪拌器6將磨粒流切削液攪拌均勻，再通過氣膜泵5將磨粒流切削液輸入到仿形流道入口10中，然後經仿形流道7後從仿形流道出口8回流到攪拌器6中；與此同時，將電磁波加熱器3通電，利用三自由度移動裝置2帶動電磁波加熱器3對仿形流道7內需要加熱的位置進行加熱；具體的加熱位置通過溫度檢測裝置來確定，溫度檢測裝置正對所述仿形流道7並用於檢測所述仿形流道7內的溫度分布情況，通過溫度檢測裝置檢測到的溫度分布情況繪製溫度分布曲線圖，根據溫度分布曲線圖控制三自由度移動裝置2的移動，帶動電磁波加熱器3對需要進行溫度補償的位置進行溫度補償。

本發明利用上述類人工關節件磨粒流湍流拋光設備的溫控裝置進行控制的方法如下：通過將玻璃約束構件4套裝在類人工關節件9外，在玻璃約束構件4的內表面與類人工關節件9的曲面表面之間形成厚度均勻的仿形流道7，玻璃約束構件4的兩端設有仿形流道入口10和仿形流道入口10出口，將磨粒流以湍流狀態經過仿形流道入口10送入仿形流道7中，再由仿形流道出口8流出，通過仿形流道7內磨粒流中磨粒的無序運動來實現類人工關節件9曲面的微力微量切削，在切削過程中利用固定在三自由度移動裝置2上的電磁波加熱器3對仿形流道7內的磨粒流進行加熱，三自由度移動裝置2驅動電磁波加熱器3在玻璃約束構件4上方任意位置進行移動，從而實現電磁波加熱器3對仿形流道7內任意位置的磨粒流進行溫度補償，進而控制仿形流道7內不同位置磨粒流的湍動能，從而控制仿形流道7不同位置的拋光效果。

電磁波加熱器3對仿形流道7內不同位置的補償溫度均不相同，補償溫度通過電磁波控制器1設定指定位置時加熱源11的波長來實現。

上述實施例只是本發明的較佳實施例，並不是對本發明技術方案的限制，只要是不經過創造性勞動即可在上述實施例的基礎上實現的技術方案，均應視為落入本發明專利的權利保護範圍內。