钛合金人工关节曲面湍流精密加工方法及装置

摘要

本发明公开了一种钛合金人工关节曲面湍流精密加工方法及装置，使用专用的方形加工装置，与钛合金人工关节假体一起构件用于加工钛合金人工关节假体的仿形流道，并使用固液二相磨粒流在仿形流道中快速流动形成充分湍流，仿形流道中内固液二相磨粒流中的磨粒对钛合金人工关节假体进行无序的微力微量的切削；在此加工过程中，向仿形流道内间歇通入高压气体，高压气体冲击磨粒向工件分布，以提高磨粒碰撞钛合金人工关节假体的表面的几率并防止磨粒沉入仿形流道底部。本发明结构简单、易于设计；仿形端盖和钛合金人工关节假体表面形成良好的仿形，软性磨粒流可与人工关节假体表面形成良好的接触，使钛合金人工关节的加工精度更高、加工效果更均匀。

说明书

技术领域

本发明涉及人工关节加工技术领域，尤其适用于加工复杂的异性曲面的钛合金人工关节， 更具体的说，涉及一种钛合金人工关节曲面湍流精密加工方法及装置。

背景技术

人工关节是一种具有关节功能的器官，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人 工关节的需求将不断扩大。

经过成型烧结后的钛合金人工关节假体并不能直接适用于人体内部，还需要经过一系列 的研磨、抛光等后续工艺处理，最终获得平滑、均匀、高质量表面并与人体骨头配合良好的 人工关节。人工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关节设计中广泛被采用，但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，且人工关节表面多为复杂曲面，采用传统抛光方法难以对一些 表面进行有效加工，现今，人工关节抛光主要由手工操作，抛光效率低且抛光质量难以稳定。

因此，本发明提出了一种新型的钛合金人工关节光整加工方法，并设计了使用于该方法 的专用加工工件，采用本发明提供的加工方法，加工效率更高、加工精度更高，且摆脱了传 统方法中对工具的依赖。

发明内容

本发明的目的在于克服在对人工关节的复杂曲面表面进行光整加工时，由于钛合金人工 关节表面的复杂性，导致无法对工件的表面进行良好的接触加工，且加工效果不佳的问题， 提出了一种加工效率高、加工精度高、加工均匀的钛合金人工关节湍流精密加工方法及装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：钛合金人工关节曲面湍流精密加工方法，其 特征在于：使用专用的方形加工装置，与钛合金人工关节假体一起构件用于加工钛合金人工 关节假体的仿形流道，并使用固液二相磨粒流在仿形流道中快速流动形成充分湍流，仿形流 道中内固液二相磨粒流中的磨粒跟随固液二相磨粒流对钛合金人工关节假体进行无序的微力 微量的切削，从而实现钛合金人工关节假体的光整加工；在此加工过程中，向仿形流道内间 歇通入高压气体，高压气体冲击磨粒向工件分布，以提高磨粒碰撞钛合金人工关节假体的表 面的几率并防止磨粒沉入仿形流道底部。

钛合金人工关节曲面湍流精密加工装置，包括流道底座、仿形端盖、钛合金人工关节假 体，其特征在于：所述流道底座套装在钛合金人工关节假体外，仿形端盖套装在流道底座底 部；所述仿形端盖内表面与钛合金人工关节假体外表面间形成厚度均匀分仿形流道；所述流 道底座两端设有仿形流道出口和仿形流道入口；

所述仿形端盖由微孔材料制成，仿形端盖的外表面上还设有三个空腔，三个空腔的入口 连接同一个入气口且三个空腔的入口处均设有电磁比例阀；所述仿形端盖与三个空腔的连接 处设有隔水透气膜。

进一步的，所述仿形端盖内表面的仿形曲面形状与所述钛合金人工关节假体的形状一致， 所述仿形端盖安装在所述钛合金人工关节假体的下方。

进一步的，所述电磁控制阀采用脉冲控制的方式进行控制。

进一步的，所述入气口处还设有电磁控制阀。

仿形端盖两端分别为固液二相磨粒流流道和三个空腔，当所述空腔内气压大于流道内水 压时，气体能够通过微孔材料上的微孔进入流道，而在流道中，由于气体的进入导致流体出 现短暂的截流，因此，每个空腔的入气口均装有一个电磁控制阀，电磁控制阀采用脉冲控制， 电磁控制阀的控制标准为：当电磁控制阀接收到低频脉冲时，调整其阀值控制进气量，保证 空腔内的气压不会大于仿形流道内的水压；当电磁控制阀接收到高频脉冲时，调整其阀值控 制进气量，保证空腔内的气压瞬间远大于流道内水压；低频脉冲信号持续时间比高频脉冲信 号长。由于持续时间短暂，流体截流现象并不明显，流体能够正常在流道内流动，最终从流 道出口流出。

通过对流道内固液二相磨粒流的仿真可知，流道内流体的压力分布并不均与，压力分布 从流道入口到流道出口呈降低趋势。因此，在仿形端盖下面并排装了三个小空腔，每个小空 腔密封隔开，同时，在每个小空腔的气体入口处，安装有电磁比例阀，三个电磁比例阀分别 保证对应小空腔内气压与对应流道内相应部位的水压相配合，这样，保证流道内每一区域内， 在气体冲击进入流道后，磨粒被冲击抛起的程度一致，保证了磨粒分布的均匀性。

本发明的有益效果在于：结构简单、易于设计和制造；仿形端盖和钛合金人工关节假体 表面形成良好的仿形，软性磨粒流可与人工关节假体表面形成良好的接触，使钛合金人工关 节的加工精度更高、加工效果更均匀；加工过程可以完全自动化进行，且摆脱了利用工具进 行光整加工的束缚；引入气体冲击磨粒流，增加了磨粒冲击碰撞工件的几率，提高了加工效 率。

附图说明

图1是本发明钛合金人工关节曲面湍流精密加工装置的结构示意图。

图2是钛合金人工关节的结构示意图。

图中，1-仿形流道入口、2-流道底座、3-钛合金人工关节假体、4-仿形流道出口、5-仿形 端盖、6-电磁控制阀、7-入气口、8-电磁比例阀、9-空腔、10-隔水透气膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，钛合金人工关节曲面湍流精密加工装置，包括流道底座2、仿形端盖 5、钛合金人工关节假体3，其特征在于：所述流道底座2套装在钛合金人工关节假体3外， 仿形端盖5套装在流道底座2底部；所述仿形端盖5内表面与钛合金人工关节假体3外表面 间形成厚度均匀分仿形流道；所述流道底座2两端设有仿形流道出口4和仿形流道入口1；

所述仿形端盖5由微孔材料制成，仿形端盖5的外表面上还设有三个空腔9，三个空腔9 的入口连接同一个入气口7且三个空腔9的入口处均设有电磁比例阀8；所述仿形端盖5与 三个空腔9的连接处设有隔水透气膜10。

固液二相磨粒流通过隔膜泵作为动力源，从仿形流道入口1进入仿形流道中，并沿着仿 形流道流动，在仿形流道中形成湍流；固液二相磨粒流的磨粒无序的钛合金人工关节假体3 表面进行微力微量冲击切削，从而进行抛光。

所述仿形端盖5内表面的仿形曲面形状与所述钛合金人工关节假体3的形状一致，所述 仿形端盖5安装在所述钛合金人工关节假体3的下方。

所述电磁控制阀6采用脉冲控制的方式进行控制。

所述入气口7处还设有电磁控制阀6。

钛合金人工关节的湍流精密加工过程如下：

首先，配置好固液二相磨粒流，使用隔膜泵或增压泵作为动力源，使固液二相磨粒流在 仿形流道中形成充分湍流；

其次，采用气泵作为气体动力源，从入气口7将气体充入空腔9内，采用脉冲控制电磁 控制阀6，电磁控制阀6的控制标准为：当电磁控制阀6接收到低频脉冲时，调整其阀值控 制进气量，保证空腔内的气压不会大于仿形流道内的水压；当电磁控制阀6接收到高频脉冲 时，调整其阀值控制进气量，保证空腔内的气压瞬间远大于流道内水压；低频脉冲信号持续 时间比高频脉冲信号长。

通过仿真软件，对该种尺寸装置内流道中各处流体的水压进行分析仿真，将仿真结果作 为参考，调整三个电磁比例阀8的阀值大小，保证每个空前内的气压与其对应段流道内的水 压相持平。

保持软性磨粒流连续的在仿形流道内流动，从微孔材料制作的仿形端盖5中间断的充入 气体，冲动磨粒向钛合金人工关节假体3方向分布，持续操作上述过程，直至工件加工完毕。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过 创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保 护范围内。