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

背景技術：

人工關節(jié)是人們?yōu)橥炀纫咽スδ艿年P節(jié)而設計的一種人工器官，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，適合于制造人工關節(jié)。人工關節(jié)表面質量決定了表面摩擦性質，粗糙度越大，表面微凸體發(fā)生接觸幾率增大，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(jié)由不同曲率的曲面組成，現(xiàn)有的精密加工技術難以適應曲率多變的曲面，人工關節(jié)仍然沿用效率低下的人工打磨。人工關節(jié)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(xiàn)有的比較先進的進行人工關節(jié)打磨的技術，磨粒流加工技術是一種采用專用夾具對復雜模具型腔表面形成結構化流道，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于加工輪廓復雜、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。其微量切削能保證復雜曲面的位置和形狀精度，防止造成加工零件表面出現(xiàn)加工變質層和亞表面損傷。

專利申請?zhí)枮?01110041218.8的“鈦合金人工關節(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節(jié)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(jié)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(xiàn)表面的逐步光整。但是人工關節(jié)表面為復雜曲面，磨粒流流經人工關節(jié)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，同時復雜曲面阻止了法向速度脈動，離開曲面稍微遠點的區(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(jié)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，但由于人工關節(jié)的成本較高，通常采用的是類人工關節(jié)件來模擬人工關節(jié)，通過磨粒流湍流拋光裝置對類人工關節(jié)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(shù)，實驗完成后才會根據(jù)需要設定拋光參數(shù)，再對人工關節(jié)進行生產加工。類人工關節(jié)件是一種與人工關節(jié)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(jié)兩端的曲面，為了簡化模擬過程，實際實驗中我們采用的類人工關節(jié)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(guī)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(fā)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(fā)明提出了一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工裝置及其方法，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(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的類人工關節(jié)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，提供了一種一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工裝置及其方法。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的：一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工裝置，包括玻璃約束構件、三個電磁波加熱器、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(jié)件外，所述玻璃約束構件的內表面與類人工關節(jié)件的曲面表面形成厚度均勻的仿形流道，所述玻璃約束構件由壁厚相同的玻璃材料制成，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收尾連接成磨粒流循環(huán)系統(tǒng)；三個電磁波加熱器安裝在所述玻璃約束構件的同一側，三個電磁波加熱器分別放置在仿形流道入口側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的仿形流道最凸處之間三處，三個電磁波加熱器的形狀分別與對應位置的仿形流道形狀相匹配，三個電磁波加熱器的總長度與整個仿形流道的長度相同，三個電磁波加熱器均安裝在支撐架上，每個電磁波加熱器均正對所述仿形流道；每個電磁波加熱器均與電磁波控制器電連接，電磁波控制器調節(jié)每個電磁波加熱器的電磁波強度；每個所述電磁波加熱器包括加熱源、凹透鏡和凸透鏡，每個加熱源均正對一個凹透鏡和凸透鏡，加熱源發(fā)出的電磁波依次經過凹透鏡和凸透鏡后發(fā)射道仿形流道內。

進一步，每個電磁波加熱器內均設有多個加熱源，加熱源的分布為中間密集兩側稀疏，所述凹透鏡和凸透鏡的形狀與相應的電磁波加熱器形狀相匹配。

進一步的，所述電磁波加熱器內每個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立控制。

進一步的，還包括溫度檢測裝置，所述溫度檢測裝置正對所述玻璃約束構件并用于檢測仿形流道內溫度分布情況，所述溫度檢測裝置與電磁波控制器電連接。

一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工方法，通過將玻璃約束構件套裝在類人工關節(jié)件外，在玻璃約束構件的內表面與類人工關節(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(tài)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(xiàn)類人工關節(jié)件曲面的微力微量切削，在切削過程中利用設置在玻璃約束構件側面正對所述仿形流道的三個電磁波加熱器對仿形流道內的磨粒流進行加熱，三個電磁波加熱器內的每個加熱源均通過電磁波控制器設定不同的加熱強度，從而調節(jié)仿形流道內不同位置磨粒流的湍動能，進而控制仿形流道不同位置的拋光效果。

進一步的，三個電磁波加熱器對仿形流道內不同位置的加熱狀態(tài)均不相同，補償溫度通過電磁波控制器設定指定位置加熱源的波長來實現(xiàn)。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明通過類人工關節(jié)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(jié)件之間形成厚度均勻的磨粒流受控仿形流道，類人工關節(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)進入仿形流道中，通過磨粒流中磨粒的無序運動來實現(xiàn)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、由于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(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系呈二次關系式，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(fā)明通過在玻璃約束構件的側面放置電磁波加熱器，增加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(jié)件表面加工質量更加的均勻。

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

4、本發(fā)明電磁波加熱器內的加熱源其強度可調，且能通過調整凹透鏡和凸透鏡的位置來調節(jié)電磁波的聚光效果，能方便的調節(jié)其強度，穿透磨粒流切削液，而不過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，可以有效的避免對類人工關節(jié)件加熱，影響類人工關節(jié)件加工效果。因為類人工關節(jié)件表面溫度上升，其表面的磨粒流切削液吸熱膨脹后會上升運動，阻礙上層的磨粒流切削液下降，阻擋磨粒對類人工關節(jié)件表面的碰撞切削。

6、磨粒流在仿形流道內流動時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，由流體力學可知，水流體粘度與溫度二次方關系式成反比，雷諾數(shù)與粘度成反比關系式，而湍動能與雷諾數(shù)成一定關系，通過加熱仿形流道磨粒流流體降低磨粒流流體粘度，可以補償磨粒流流體湍動能和速度，降低沿程損失和局部損失對加工效果的影響。各個區(qū)域所需補償?shù)臏囟确植伎梢酝ㄟ^上述關系式估算出，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，采用三個電磁波加熱源對上述三個區(qū)域進行分段式加熱，分別對三個區(qū)域進行溫度調控，提高加工的均勻性。

附圖說明

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

圖2是本發(fā)明玻璃約束構件、電磁波加熱器和支撐架的結構示意圖。

圖3是本發(fā)明仿形流道的結構示意圖。

圖4是本發(fā)明電磁波加熱器的結構示意圖。

圖5是本發(fā)明電磁波加熱器單個加熱源的工作狀態(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。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1～5所示，一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工裝置，其特征在于：包括玻璃約束構件2、三個電磁波加熱器3、支撐架4、氣膜泵5、攪拌器6和電磁波控制器1，所述玻璃約束構件2套裝在類人工關節(jié)件9外，所述玻璃約束構件2的內表面與類人工關節(jié)件9的曲面表面形成厚度均勻的仿形流道7，所述玻璃約束構件2由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃約束構件2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通過管道收尾連接成磨粒流循環(huán)系統(tǒng)；三個電磁波加熱器3安裝在所述玻璃約束構件2的同一側，三個電磁波加熱器3分別放置在仿形流道入口10側的仿形流道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側的仿形流道7最凸處之間三處，三個電磁波加熱器3的形狀分別與對應位置的仿形流道7形狀相匹配，三個電磁波加熱器3的總長度與整個仿形流道7的長度相同，三個電磁波加熱器3均安裝在支撐架4上，每個電磁波加熱器3均正對所述仿形流道7；每個電磁波加熱器3均與電磁波控制器1電連接，電磁波控制器1調節(jié)每個電磁波加熱器3的電磁波強度；每個所述電磁波加熱器3包括加熱源11、凹透鏡13和凸透鏡12，每個加熱源11均正對一個凹透鏡13和凸透鏡12，加熱源11發(fā)出的電磁波依次經過凹透鏡13和凸透鏡12后發(fā)射道仿形流道7內。

每個電磁波加熱器3內均設有多個加熱源11，加熱源11的分布為中間密集兩側稀疏，所述凹透鏡13和凸透鏡12的形狀與相應的電磁波加熱器3形狀相匹配。所述電磁波加熱器3內每個加熱源11均與電磁波控制器1電連接并受到電磁波控制器1的獨立控制。電磁波加熱器3內加熱源11的分布是根據(jù)實際的溫度補償情況進行布置的，由于仿形流道7內各個位置需要補償?shù)耐膭幽懿煌?，因此需要加熱的溫度也不相同，通過一開始設定的每個位置的補償溫度來對加熱源11的分布進行分布調整，可以保證僅需要對加熱源11進行較小的調整既可以完成整個仿形流道7內溫度補償?shù)恼{節(jié)。

一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工裝置還包括溫度檢測裝置，所述溫度檢測裝置正對所述玻璃約束構件2并用于檢測仿形流道7內溫度分布情況，所述溫度檢測裝置與電磁波控制器1電連接。溫度檢測裝置不僅能對仿形流道內的溫度進行監(jiān)控，而且能根據(jù)溫度計算每個位置需要的溫度補償，再通過電磁波控制器1對每個加熱源11的波長進行控制，以保證仿形流道內任意位置的湍動能均保持一致，從而實現(xiàn)類人工關節(jié)件表面的均勻拋光。

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，然后經仿形流道7后從仿形流道出口8回流到攪拌器6中；與此同時，將三個電磁波加熱器3通電，由于三個電磁波加熱器3的整體形狀與仿形流道7相同，并且三個電磁波加熱器3均正對著仿形流道7，通過電磁波控制器1分別調節(jié)三個電磁波加熱器3內每一個加熱源11的電磁波強度，使電磁波透過玻璃約束構件2只對仿形流道7內的磨粒流切削液進行加熱。

本發(fā)明利用上述一種分段加熱式類人工關節(jié)件湍流精密加工裝置進行加工的方法如下：通過將玻璃約束構件2套裝在類人工關節(jié)件9外，在玻璃約束構件2的內表面與類人工關節(jié)件9的曲面表面之間形成厚度均勻的仿形流道7，玻璃約束構件2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(tài)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(xiàn)類人工關節(jié)件9曲面的微力微量切削，在切削過程中利用設置在玻璃約束構件2側面正對所述仿形流道7的三個電磁波加熱器3對仿形流道7內的磨粒流進行加熱，三個電磁波加熱器3內的每個加熱源11均通過電磁波控制器1設定不同的加熱強度，從而調節(jié)仿形流道7內不同位置磨粒流的湍動能，進而控制仿形流道7不同位置的拋光效果。

三個電磁波加熱器3對仿形流道7內不同位置的加熱狀態(tài)均不相同，補償溫度通過電磁波控制器1設定指定位置加熱源11的波長來實現(xiàn)。

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