一种人工关节仿形抛光加工参数优化选择实验测试方法

摘要

本发明公开了一种人工关节仿形抛光加工参数优化选择实验测试方法，包括以下步骤：设计与被加工的人工关节形状完全一致的工件试样，在工件试样的加工曲面上开至少三个凹槽，在凹槽底部安装测压应变片并在测压应变片上安装仿形楔块，仿形楔块的外表面与工件试样的加工曲面形成完整的加工曲面；将工件试样放入仿形抛光加工装置中进行仿形抛光加工试验，同时利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；修改仿形抛光加工试验的加工参数，继续利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；将压力应变片检测到的压力制成与加工参数、材质、表面粗糙度相对应的曲线，并对该曲线进行分析，得出仿形抛光加工试验的最佳加工参数。

说明书

技术领域

本发明涉及软性磨粒流加工领域，更具体的说，涉及一种人工关节仿形抛光加工参数优化选择实验测试方法。

背景技术

软性磨粒流是新兴的先进材料加工方法，近年来发展起来的软性磨粒流是一种可以实现先进材料工件高精度、高质量加工的方法，现有的研究显示，用软性磨粒流方法加工先进材料时，先进材料加工表面的的质量由软性磨粒流的流速、压力和磨粒浓度决定，当软性磨粒流的流速和磨粒浓度确定是时，压力成为决定先进材料工件表面加工质量的主要因素，目前的软性磨粒流加工设备没有安装相应的压力测量装置，无法快速对软性磨粒流加工设备的压力进行测量。

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。

人工关节的每个个体均不相同，因此需要针对每个人工关节进行个性化加工，导致人工关节价格居高不下，同时，人工关节的加工质量与其寿命有着直接关系，因此，对人工关节抛光加工的加工参数优化有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，而提供了一种人工关节仿形抛光加工参数优化选择实验测试方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种人工关节仿形抛光加工参数优化选择实验测试方法，包括以下步骤：

1)设计与被加工的人工关节形状完全一致的工件试样，工件试样设有多个，各个工件试样的材质及表面粗糙度均不相同；

2)在工件试样的加工曲面上开至少三个凹槽，在凹槽底部安装测压应变片并在测压应变片上安装仿形楔块，仿形楔块的外表面与工件试样的加工曲面形成完整的加工曲面；

3)将工件试样放入仿形抛光加工装置中进行仿形抛光加工试验，同时利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；

4)修改仿形抛光加工试验的加工参数，继续利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；

5)更改不同材质、不同表面粗糙度的工件试样进行仿形抛光加工试验，同时利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；同时修改仿形抛光加工试验的加工参数，继续利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；

6)将压力应变片检测到的压力制成与加工参数、材质、表面粗糙度相对应的曲线，并对该曲线进行分析，得出仿形抛光加工试验的最佳加工参数。

进一步的，所述加工参数包括软性磨粒流的磨粒种类、磨粒比例、抛光时间和进口处的水压。

进一步的，所述仿形抛光加工装置包括流道底座、工件试样、仿形端盖、测压应变片和仿形楔块，工件试样安装在流道底座内，所述仿形端盖安装在所述流道底座上端并与工件试样间留有～毫米的间隙，所述仿形端盖内表面与工件试样外表面形状相同，所述仿形端盖内表面与工件试样外表面间形成厚度均匀的仿形流道；所述流道底座的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口；

所述工件试样外表面上设有至少三个凹槽，每个凹槽内均设有测压应变片和仿形楔块，所述仿形楔块安装在所述测压应变片上，所述测压应变片与凹槽内壁间留有一定间隙，所述仿形楔块外表面与工件试样外表面形成完整的仿形曲面。

进一步的，所述仿形楔块与凹槽侧壁和底面均设有间隙。

进一步的，所述仿形楔块外表面上贴有防水隔膜。

进一步的，所述仿形抛光加工装置上还设有PIV测试系统，所述流道底座和仿形端盖由透明有机玻璃材料制成，所述PIV测试系统包括CCD相机、激光发生器、激光控制器和PIV主机，所述PIV主机通过控制所述激光控制器控制激光发生器发生激光，所述激光照亮流道底座和仿形端盖内所测流场的截面，并通过CCD相机拍摄连续两个激光脉冲照亮流场的两幅图像，并将图像转化为数字信号传给PIV主机，利用互相关技术匹配图像离子对的方法做图片处理，测出单位时间内粒子在x、y方向上的位移，从而计算出x、y方向的移动速度。

进一步的，所述凹槽沿仿形流道内流体流动方向均匀分布。

由于仿形楔块与凹槽内壁间有间隙，仿形楔块与凹槽内壁摩擦力极小，仿形楔块所受压力传递到测压应变片上的损耗极小，为了避免流体进入凹槽内间隙影响测量结果，故在所述仿形楔块表面上贴一层防水隔膜。

本发明的有益效果在于：本发明结构简单紧凑，生产成本低，通过设在工件试样表面的凹槽内的三个测压应变片，能够准确测量出工件试样在加工时表面不同位置所受到的压力，以实现软性磨粒流加工时软性磨粒流内部的压力测量，并修改各种加工参数进行压力测量，最后分析出最佳加工参数方案。

附图说明

图1是本发明仿形抛光加工装置的结构示意图。

图2是未开槽的工件试样的结构示意图。

图中，1-仿形端盖、2-仿形楔块、3-测压应变片、4-工件试样、5-仿形流道出口、6-流道底座、7-仿形流道入口。

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，一种人工关节仿形抛光加工参数优化选择实验测试方法，包括以下步骤：

1设计与被加工的人工关节形状完全一致的工件试样，工件试样设有多个，各个工件试样的材质及表面粗糙度均不相同；

2在工件试样的加工曲面上开至少三个凹槽，在凹槽底部安装测压应变片并在测压应变片上安装仿形楔块，仿形楔块的外表面与工件试样的加工曲面形成完整的加工曲面；

3将工件试样放入仿形抛光加工装置中进行仿形抛光加工试验，同时利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；

4修改仿形抛光加工试验的加工参数，继续利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；

5更改不同材质、不同表面粗糙度的工件试样进行仿形抛光加工试验，同时利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；同时修改仿形抛光加工试验的加工参数，继续利用测压应变片测量工件试样加工曲面上各个凹槽处的压力；

6将压力应变片检测到的压力制成与加工参数、材质、表面粗糙度相对应的曲线，并对该曲线进行分析，得出仿形抛光加工试验的最佳加工参数。

进一步的，所述加工参数包括软性磨粒流的磨粒种类、磨粒比例、抛光时间和进口处的水压。

进一步的，所述仿形抛光加工装置包括流道底座6、工件试样4、仿形端盖1、测压应变片3和仿形楔块2，工件试样4安装在流道底座6内，所述仿形端盖1安装在所述流道底座6上端并与工件试样4间留有3～5毫米的间隙，所述仿形端盖1内表面与工件试样4外表面形状相同，所述仿形端盖1内表面与工件试样4外表面间形成厚度均匀的仿形流道；所述流道底座6的两端分别设有仿形流道入口7和仿形流道出口5；

所述工件试样4外表面上设有至少三个凹槽，每个凹槽内均设有测压应变片3和仿形楔块2，所述仿形楔块2安装在所述测压应变片3上，所述测压应变片3与凹槽内壁间留有一定间隙，所述仿形楔块2外表面与工件试样4外表面形成完整的仿形曲面。

进一步的，所述仿形楔块2与凹槽侧壁和底面均设有间隙。

进一步的，所述仿形楔块2外表面上贴有防水隔膜。

进一步的，所述仿形抛光加工装置上还设有PIV测试系统，所述流道底座6和仿形端盖1由透明有机玻璃材料制成，所述PIV测试系统包括CCD相机、激光发生器、激光控制器和PIV主机，所述PIV主机通过控制所述激光控制器控制激光发生器发生激光，所述激光照亮流道底座6和仿形端盖1内所测流场的截面，并通过CCD相机拍摄连续两个激光脉冲照亮流场的两幅图像，并将图像转化为数字信号传给PIV主机，利用互相关技术匹配图像离子对的方法做图片处理，测出单位时间内粒子在x、y方向上的位移，从而计算出x、y方向的移动速度。

进一步的，所述凹槽沿仿形流道内流体流动方向均匀分布。

仿形抛光加工装置在具体使用时，先将工件试样4安装在流道底座6上，仿形端盖1安装在流道底座6上端，仿形端盖1和工件试样4之间会形成5毫米的仿形流道，从仿形端盖入口7通入软性磨粒流，加工工件试样4，模拟工件试样4加工的，软性磨粒流流过仿形端盖1与工件试样4之间的5毫米仿形流道时，软性磨粒流压强对仿形楔块表面作用一个压力，仿形楔块再将其表面的压力传递到测压应变片上，压力导致测压应变片3变形，测压应变片3变形引起的电流信号变化会通过导线传出，由于仿形楔块2与工件试样4加工表面形成良好仿形且无突出，此测量的压力与先进材料工件在真实加工中的压力相同，所以能准确测量工件试样在加工时表面所受到的压强。

PIV测试系统主要采用丹麦Dantec公司出品的Dynamic系统，硬件包括PIV2100处理器、激光系统、成像系统，软件系统则主要采用Dynamic Studio 3.14软件。

该系统测试时，激光器发出激光素，通过光学元件光束将变成片光源照亮所测流场的截面。通过内窥镜或CCD相机拍摄连续两个激光脉冲照亮流场的两幅图像，再把图像转化为数字信号传给计算机。Dynamic Studio 3.14软件可以完成在线监测并把图片存储下来。后期采用互相关技术匹配图像粒子对的方法做图片处理，测出Δt时间内粒子在x，y方向上的位移Δx，Δy，从而可以计算处x，y方向的移动速度和速度方向。

图像处理方法是：将两帧单次曝光的粒子图像划分为成小的查问区，对各查问区内的粒子图像进行互相关分析，获得各查问区速度矢量，进而得到全场速度矢量。

利用PIV测试系统能有效观测软性磨粒流内磨粒群的分布及运动情况，便于上述实验测试方法进一步优化。

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。