本發(fā)明涉及磨粒流拋光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，尤其涉及一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置及其方法。

背景技術(shù)：

人工關(guān)節(jié)是人們?yōu)橥炀纫咽スδ艿年P(guān)節(jié)而設(shè)計(jì)的一種人工器官，它在人工器官中屬于療效最好的一種。人工關(guān)節(jié)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，適合于制造人工關(guān)節(jié)。人工關(guān)節(jié)表面質(zhì)量決定了表面摩擦性質(zhì)，粗糙度越大，表面微凸體發(fā)生接觸幾率增大，導(dǎo)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(guān)節(jié)由不同曲率的曲面組成，現(xiàn)有的精密加工技術(shù)難以適應(yīng)曲率多變的曲面，人工關(guān)節(jié)仍然沿用效率低下的人工打磨。人工關(guān)節(jié)價(jià)格昂貴，已經(jīng)難以滿足市場(chǎng)的廣泛需求。

磨粒流加工技術(shù)是現(xiàn)有的比較先進(jìn)的進(jìn)行人工關(guān)節(jié)打磨的技術(shù)，磨粒流加工技術(shù)是一種采用專用夾具對(duì)復(fù)雜模具型腔表面形成結(jié)構(gòu)化流道，并采用磨粒與液體混合的流體磨料不斷沖刷被加工表面的光整加工方法。在加工過(guò)程中，軟性磨粒流在工件表面與約束模塊構(gòu)成的約束仿形流道中形成湍流流動(dòng)，磨粒在湍流的帶動(dòng)下無(wú)序地撞擊加工表面達(dá)到切削效應(yīng)，這種拋光方法不僅克服了由于加工輪廓復(fù)雜、尺度細(xì)小帶來(lái)的加工困難。流體加工方法是通基液驅(qū)動(dòng)磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行微小的犁削。其微量切削能保證復(fù)雜曲面的位置和形狀精度，防止造成加工零件表面出現(xiàn)加工變質(zhì)層和亞表面損傷。

專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110041218.8的“鈦合金人工關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)湍流精密加工的新方法，通過(guò)與待加工的假體形狀相一致的配模，在人工關(guān)節(jié)假體外表面和配模內(nèi)表面的流道內(nèi)形成湍流，利用磨粒的微力微量切削的頻繁作用實(shí)現(xiàn)表面的逐步光整。但是人工關(guān)節(jié)表面為復(fù)雜曲面，磨粒流流經(jīng)人工關(guān)節(jié)表面拐點(diǎn)和奇點(diǎn)的突變點(diǎn)處時(shí)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(dòng)，同時(shí)復(fù)雜曲面阻止了法向速度脈動(dòng)，離開(kāi)曲面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的區(qū)域，由于磨粒流平均速度梯度的增加，磨粒流的湍流動(dòng)能迅速產(chǎn)生變化，使得拋光不均勻，難以達(dá)到理想的拋光效果。

在進(jìn)行人工關(guān)節(jié)磨粒流拋光加工前，我們需要對(duì)湍流拋光情況進(jìn)行模擬測(cè)試，但由于人工關(guān)節(jié)的成本較高，通常采用的是類人工關(guān)節(jié)件來(lái)模擬人工關(guān)節(jié)，通過(guò)磨粒流湍流拋光裝置對(duì)類人工關(guān)節(jié)件的曲面進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)?zāi)チＡ鲯伖庑Ч?，從而制定拋光參?shù)，實(shí)驗(yàn)完成后才會(huì)根據(jù)需要設(shè)定拋光參數(shù)，再對(duì)人工關(guān)節(jié)進(jìn)行生產(chǎn)加工。類人工關(guān)節(jié)件是一種與人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)非常相似的工件，因?yàn)樾枰M加工的主要是人工關(guān)節(jié)兩端的曲面，為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們采用的類人工關(guān)節(jié)件的曲面是由一個(gè)平面彎曲而成的，與待加工曲面相連接的兩個(gè)側(cè)面呈平面狀，整個(gè)待加工曲面呈波浪形，待加工曲面在側(cè)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(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)磨粒對(duì)加工表面進(jìn)行無(wú)序無(wú)規(guī)則的加工，所以磨粒流的湍流動(dòng)能衡量磨粒流加工效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。磨粒流的湍流總動(dòng)能隨時(shí)間的變化，湍流動(dòng)能的變化是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)。在加工過(guò)程中，隨著磨粒與加工表面的碰撞，磨粒流的湍流動(dòng)能會(huì)不斷減少。針對(duì)這一問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置及其方法，通過(guò)溫度控制對(duì)整個(gè)加工過(guò)程中磨粒流的湍流動(dòng)能進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保證整個(gè)加工效果的均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工的過(guò)程中磨粒流的湍流總動(dòng)能隨時(shí)間的變化導(dǎo)致整個(gè)加工過(guò)程中加工效果的均勻性比較差的問(wèn)題，提供了一種一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置及其方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置，包括玻璃約束構(gòu)件、三個(gè)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(gòu)件套裝在類人工關(guān)節(jié)件外，所述玻璃約束構(gòu)件的內(nèi)表面與類人工關(guān)節(jié)件的曲面表面形成厚度均勻的仿形流道，所述玻璃約束構(gòu)件由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃約束構(gòu)件的兩端分別設(shè)有仿形流道入口和仿形流道出口；所述仿形流道入口通過(guò)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(guò)管道收尾連接成磨粒流循環(huán)系統(tǒng)；三個(gè)電磁波加熱器安裝在所述玻璃約束構(gòu)件的同一側(cè)，三個(gè)電磁波加熱器分別放置在仿形流道入口側(cè)的仿形流道最凸處到仿形流道的最凹處之間、仿形流道的最凹處和仿形流道的最凹處到仿形流道出口側(cè)的仿形流道最凸處之間三處，三個(gè)電磁波加熱器的形狀分別與對(duì)應(yīng)位置的仿形流道形狀相匹配，三個(gè)電磁波加熱器的總長(zhǎng)度與整個(gè)仿形流道的長(zhǎng)度相同，三個(gè)電磁波加熱器均安裝在支撐架上，每個(gè)電磁波加熱器均正對(duì)所述仿形流道；每個(gè)電磁波加熱器均與電磁波控制器電連接，電磁波控制器調(diào)節(jié)每個(gè)電磁波加熱器的電磁波強(qiáng)度；每個(gè)所述電磁波加熱器包括加熱源、凹透鏡和凸透鏡，每個(gè)加熱源均正對(duì)一個(gè)凹透鏡和凸透鏡，加熱源發(fā)出的電磁波依次經(jīng)過(guò)凹透鏡和凸透鏡后發(fā)射道仿形流道內(nèi)。

進(jìn)一步，每個(gè)電磁波加熱器內(nèi)均設(shè)有多個(gè)加熱源，加熱源的分布為中間密集兩側(cè)稀疏，所述凹透鏡和凸透鏡的形狀與相應(yīng)的電磁波加熱器形狀相匹配。

進(jìn)一步的，所述電磁波加熱器內(nèi)每個(gè)加熱源均與電磁波控制器電連接并受到電磁波控制器的獨(dú)立控制。

進(jìn)一步的，還包括溫度檢測(cè)裝置，所述溫度檢測(cè)裝置正對(duì)所述玻璃約束構(gòu)件并用于檢測(cè)仿形流道內(nèi)溫度分布情況，所述溫度檢測(cè)裝置與電磁波控制器電連接。

一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工方法，通過(guò)將玻璃約束構(gòu)件套裝在類人工關(guān)節(jié)件外，在玻璃約束構(gòu)件的內(nèi)表面與類人工關(guān)節(jié)件的曲面表面之間形成厚度均勻的仿形流道，玻璃約束構(gòu)件的兩端設(shè)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(tài)經(jīng)過(guò)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(guò)仿形流道內(nèi)磨粒流中磨粒的無(wú)序運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)類人工關(guān)節(jié)件曲面的微力微量切削，在切削過(guò)程中利用設(shè)置在玻璃約束構(gòu)件側(cè)面正對(duì)所述仿形流道的三個(gè)電磁波加熱器對(duì)仿形流道內(nèi)的磨粒流進(jìn)行加熱，三個(gè)電磁波加熱器內(nèi)的每個(gè)加熱源均通過(guò)電磁波控制器設(shè)定不同的加熱強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)仿形流道內(nèi)不同位置磨粒流的湍動(dòng)能，進(jìn)而控制仿形流道不同位置的拋光效果。

進(jìn)一步的，三個(gè)電磁波加熱器對(duì)仿形流道內(nèi)不同位置的加熱狀態(tài)均不相同，補(bǔ)償溫度通過(guò)電磁波控制器設(shè)定指定位置加熱源的波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明通過(guò)類人工關(guān)節(jié)件曲面的仿形建立玻璃約束構(gòu)件，玻璃約束構(gòu)件與類人工關(guān)節(jié)件之間形成厚度均勻的磨粒流受控仿形流道，類人工關(guān)節(jié)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(tài)進(jìn)入仿形流道中，通過(guò)磨粒流中磨粒的無(wú)序運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)表面的微力微量切削，達(dá)到鏡面級(jí)表面粗糙度，拋光精度高。

2、由于磨粒流在仿形流道中運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yán)重，因此導(dǎo)致了類人工關(guān)節(jié)件表面加工效果呈區(qū)域化分布。由于磨粒流切削液粘度與溫度之間的關(guān)系呈二次關(guān)系式，溫度越高，磨粒流切削液粘度越小，流動(dòng)性越好，磨粒流動(dòng)能和速度就越高，湍流動(dòng)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(fā)明通過(guò)在玻璃約束構(gòu)件的側(cè)面放置電磁波加熱器，增加磨粒流切削液的湍動(dòng)能和速度，補(bǔ)償仿形流道內(nèi)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(guān)節(jié)件表面加工質(zhì)量更加的均勻。

3、本發(fā)明使用玻璃作為約束構(gòu)件的制造材料，能有效的解決電磁波不能穿透非玻璃約束構(gòu)件問(wèn)題，且玻璃材質(zhì)透明，有利于對(duì)磨粒流切削液流動(dòng)狀態(tài)的進(jìn)行觀察。

4、本發(fā)明電磁波加熱器內(nèi)的加熱源其強(qiáng)度可調(diào)，且能通過(guò)調(diào)整凹透鏡和凸透鏡的位置來(lái)調(diào)節(jié)電磁波的聚光效果，能方便的調(diào)節(jié)其強(qiáng)度，穿透磨粒流切削液，而不過(guò)度溢出影響周邊加工環(huán)境。

5、本發(fā)明將電磁波加熱器矩陣制造成仿形流道形狀，可以有效的避免對(duì)類人工關(guān)節(jié)件加熱，影響類人工關(guān)節(jié)件加工效果。因?yàn)轭惾斯りP(guān)節(jié)件表面溫度上升，其表面的磨粒流切削液吸熱膨脹后會(huì)上升運(yùn)動(dòng)，阻礙上層的磨粒流切削液下降，阻擋磨粒對(duì)類人工關(guān)節(jié)件表面的碰撞切削。

6、磨粒流在仿形流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)從仿形流道的最凸處到最凹處是沿程損失區(qū)域，最凹處是局部損失區(qū)域，最凹處到最凸處是沿程損失區(qū)域，且沿程損失區(qū)域和局部損失區(qū)域能量損失的速度不相同，由流體力學(xué)可知，水流體粘度與溫度二次方關(guān)系式成反比，雷諾數(shù)與粘度成反比關(guān)系式，而湍動(dòng)能與雷諾數(shù)成一定關(guān)系，通過(guò)加熱仿形流道磨粒流流體降低磨粒流流體粘度，可以補(bǔ)償磨粒流流體湍動(dòng)能和速度，降低沿程損失和局部損失對(duì)加工效果的影響。各個(gè)區(qū)域所需補(bǔ)償?shù)臏囟确植伎梢酝ㄟ^(guò)上述關(guān)系式估算出，可以發(fā)現(xiàn)在局部損失區(qū)能量損失最多損失速率最快；根據(jù)能量損失量和損失率，加熱源由疏向密再由密向疏分布，采用三個(gè)電磁波加熱源對(duì)上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分段式加熱，分別對(duì)三個(gè)區(qū)域進(jìn)行溫度調(diào)控，提高加工的均勻性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明玻璃約束構(gòu)件、電磁波加熱器和支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明仿形流道的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明電磁波加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明電磁波加熱器單個(gè)加熱源的工作狀態(tài)示意圖。

圖中，1-電磁波控制器、2-玻璃約束構(gòu)件、3-電磁波加熱器、4-支撐架、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(guān)節(jié)件、10-仿形流道入口、11-加熱源、12-凸透鏡、13-凹透鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1～5所示，一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置，其特征在于：包括玻璃約束構(gòu)件2、三個(gè)電磁波加熱器3、支撐架4、氣膜泵5、攪拌器6和電磁波控制器1，所述玻璃約束構(gòu)件2套裝在類人工關(guān)節(jié)件9外，所述玻璃約束構(gòu)件2的內(nèi)表面與類人工關(guān)節(jié)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(gòu)件2由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃約束構(gòu)件2的兩端分別設(shè)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(guò)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(guò)管道收尾連接成磨粒流循環(huán)系統(tǒng)；三個(gè)電磁波加熱器3安裝在所述玻璃約束構(gòu)件2的同一側(cè)，三個(gè)電磁波加熱器3分別放置在仿形流道入口10側(cè)的仿形流道7最凸處到仿形流道7的最凹處之間、仿形流道7的最凹處和仿形流道7的最凹處到仿形流道出口8側(cè)的仿形流道7最凸處之間三處，三個(gè)電磁波加熱器3的形狀分別與對(duì)應(yīng)位置的仿形流道7形狀相匹配，三個(gè)電磁波加熱器3的總長(zhǎng)度與整個(gè)仿形流道7的長(zhǎng)度相同，三個(gè)電磁波加熱器3均安裝在支撐架4上，每個(gè)電磁波加熱器3均正對(duì)所述仿形流道7；每個(gè)電磁波加熱器3均與電磁波控制器1電連接，電磁波控制器1調(diào)節(jié)每個(gè)電磁波加熱器3的電磁波強(qiáng)度；每個(gè)所述電磁波加熱器3包括加熱源11、凹透鏡13和凸透鏡12，每個(gè)加熱源11均正對(duì)一個(gè)凹透鏡13和凸透鏡12，加熱源11發(fā)出的電磁波依次經(jīng)過(guò)凹透鏡13和凸透鏡12后發(fā)射道仿形流道7內(nèi)。

每個(gè)電磁波加熱器3內(nèi)均設(shè)有多個(gè)加熱源11，加熱源11的分布為中間密集兩側(cè)稀疏，所述凹透鏡13和凸透鏡12的形狀與相應(yīng)的電磁波加熱器3形狀相匹配。所述電磁波加熱器3內(nèi)每個(gè)加熱源11均與電磁波控制器1電連接并受到電磁波控制器1的獨(dú)立控制。電磁波加熱器3內(nèi)加熱源11的分布是根據(jù)實(shí)際的溫度補(bǔ)償情況進(jìn)行布置的，由于仿形流道7內(nèi)各個(gè)位置需要補(bǔ)償?shù)耐膭?dòng)能不同，因此需要加熱的溫度也不相同，通過(guò)一開(kāi)始設(shè)定的每個(gè)位置的補(bǔ)償溫度來(lái)對(duì)加熱源11的分布進(jìn)行分布調(diào)整，可以保證僅需要對(duì)加熱源11進(jìn)行較小的調(diào)整既可以完成整個(gè)仿形流道7內(nèi)溫度補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)。

一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置還包括溫度檢測(cè)裝置，所述溫度檢測(cè)裝置正對(duì)所述玻璃約束構(gòu)件2并用于檢測(cè)仿形流道7內(nèi)溫度分布情況，所述溫度檢測(cè)裝置與電磁波控制器1電連接。溫度檢測(cè)裝置不僅能對(duì)仿形流道內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)控，而且能根據(jù)溫度計(jì)算每個(gè)位置需要的溫度補(bǔ)償，再通過(guò)電磁波控制器1對(duì)每個(gè)加熱源11的波長(zhǎng)進(jìn)行控制，以保證仿形流道內(nèi)任意位置的湍動(dòng)能均保持一致，從而實(shí)現(xiàn)類人工關(guān)節(jié)件表面的均勻拋光。

加工開(kāi)始時(shí)，磨粒流切削液進(jìn)入攪拌器6內(nèi)，通過(guò)攪拌器6將磨粒流切削液攪拌均勻，再通過(guò)氣膜泵5將磨粒流切削液輸入到仿形流道入口10中，然后經(jīng)仿形流道7后從仿形流道出口8回流到攪拌器6中；與此同時(shí)，將三個(gè)電磁波加熱器3通電，由于三個(gè)電磁波加熱器3的整體形狀與仿形流道7相同，并且三個(gè)電磁波加熱器3均正對(duì)著仿形流道7，通過(guò)電磁波控制器1分別調(diào)節(jié)三個(gè)電磁波加熱器3內(nèi)每一個(gè)加熱源11的電磁波強(qiáng)度，使電磁波透過(guò)玻璃約束構(gòu)件2只對(duì)仿形流道7內(nèi)的磨粒流切削液進(jìn)行加熱。

本發(fā)明利用上述一種分段加熱式類人工關(guān)節(jié)件湍流精密加工裝置進(jìn)行加工的方法如下：通過(guò)將玻璃約束構(gòu)件2套裝在類人工關(guān)節(jié)件9外，在玻璃約束構(gòu)件2的內(nèi)表面與類人工關(guān)節(jié)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(gòu)件2的兩端設(shè)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(tài)經(jīng)過(guò)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(guò)仿形流道7內(nèi)磨粒流中磨粒的無(wú)序運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)類人工關(guān)節(jié)件9曲面的微力微量切削，在切削過(guò)程中利用設(shè)置在玻璃約束構(gòu)件2側(cè)面正對(duì)所述仿形流道7的三個(gè)電磁波加熱器3對(duì)仿形流道7內(nèi)的磨粒流進(jìn)行加熱，三個(gè)電磁波加熱器3內(nèi)的每個(gè)加熱源11均通過(guò)電磁波控制器1設(shè)定不同的加熱強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)仿形流道7內(nèi)不同位置磨粒流的湍動(dòng)能，進(jìn)而控制仿形流道7不同位置的拋光效果。

三個(gè)電磁波加熱器3對(duì)仿形流道7內(nèi)不同位置的加熱狀態(tài)均不相同，補(bǔ)償溫度通過(guò)電磁波控制器1設(shè)定指定位置加熱源11的波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

上述實(shí)施例只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。