一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法技术

本发明专利技术公开了一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法，包括如下步骤：1)建立仿形流道；2)建立仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式；3)建立磨粒流的动能损失公式；4)结合湍动能的计算公式和沿程损失和局部损失的计算公式，建立温度与加工路径的关系式；5)根据温度补偿函数T沿仿形流道的侧面设置多个电磁波加热源；6)通过独立调节每个电磁波加热源，对仿形流道内各个位置进行温度补偿。本发明专利技术通过建立温度补偿函数，实时直观的反映了仿形流道内磨粒流的温度变化，从而方便进行仿形流道内各个位置的温度补偿，方便对电磁波加热源进行准确的控制，从而保证加工过程的均匀性。

A kind of artificial joint, abrasive flow, turbulent polishing, variable temperature machining method

The present invention discloses a kind of artificial joints of abrasive flow polishing temperature turbulence processing method, which comprises the following steps: 1) the establishment of profiling channel; 2) to establish the relationship of turbulent kinetic energy in the channel profile abrasive flow and turbulence intensity H I; 3) to establish the formula of kinetic energy loss of abrasive flow; 4) combined with the calculation the formula of turbulent kinetic energy formula and frictional loss and partial loss, the relationship between the temperature and the processing path; 5) according to the side temperature compensation function T along the channel profile is provided with a plurality of electromagnetic wave heating source; 6) adjusting each electromagnetic wave heating source through independent temperature compensation for each position in the channel profile. The invention establishes temperature compensation function, real-time reflect the temperature profile in the channel of abrasive flow, which is convenient for temperature compensation of each position in the channel profile, convenient and accurate control of the electromagnetic wave heating source, so as to ensure the uniformity of machining process.

【技术实现步骤摘要】
一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法
本专利技术涉及磨粒流抛光加工
，更具体的说，尤其涉及一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法。
技术介绍
人工关节是人们为挽救已失去功能的关节而设计的一种人工器官，它在人工器官中属于疗效最好的一种。人工关节的材料一般常用材料为金属合金，其中特种钛合金因其生物相容性、耐腐性、和弹性模量等与人体骨骼接近，适合于制造人工关节。人工关节表面质量决定了表面摩擦性质，粗糙度越大，表面微凸体发生接触几率增大，导致粘着磨损增大。而众所周知，钛合金加工工艺性差，难以切削。而钛合金人工关节由不同曲率的曲面组成，现有的精密加工技术难以适应曲率多变的曲面，人工关节仍然沿用效率低下的人工打磨。人工关节价格昂贵，已经难以满足市场的广泛需求。磨粒流加工技术采用专用夹具对复杂模具型腔表面形成结构化流道，并采用磨粒与液体混合的流体磨料不断冲刷被加工表面的光整加工方法。在加工过程中，软性磨粒流在工件表面与约束模块构成的约束仿形流道中形成湍流流动，磨粒在湍流的带动下无序地撞击加工表面达到切削效应，这种抛光方法不仅克服了由于加工轮廓复杂、尺度细小带来的加工困难。流体加工方法是通基液驱动磨粒对工件表面进行微小的犁削。其微量切削能保证复杂曲面的位置和形状精度，防止造成加工零件表面出现加工变质层和亚表面损伤。专利申请号为201110041218.8的“钛合金人工关节曲面湍流精密加工新方法及其专用装置”提供了一种局部覆盖约束式钛合金人工关节湍流精密加工的新方法，通过与待加工的假体形状相一致的配模，在人工关节假体外表面和配模内表面的流道内形成湍流，利用磨粒的微力微量切削的频繁作用实现表面的逐步光整。但是人工关节表面为复杂曲面，磨粒流流经人工关节表面拐点和奇点的突变点处时容易受阻，且越靠近曲面的地方，磨粒流的粘性阻尼减少了切向速度脉动，同时复杂曲面阻止了法向速度脉动，离开曲面稍微远点的区域，由于磨粒流平均速度梯度的增加，磨粒流的湍流动能迅速产生变化，使得抛光不均匀，难以达到理想的抛光效果。在实际的人工关节抛光加工前，我们需要对湍流抛光情况进行模拟测试，通常采用的是类人工关节件来模拟人工关节，通过磨粒流湍流抛光装置对类人工关节件进行抛光实验，实验完成后才会对人工关节进行实际加工生产。类人工关节件是一种与人工关节结构非常相似的工件，因为需要模拟加工的主要是人工关节两端的曲面，为了简化模拟过程，实际实验中我们采用的类人工关节件的曲面是由一个平面弯曲而成的，与待加工曲面相连接的两个侧面呈平面状，整个待加工曲面呈波浪形，待加工曲面在侧面上的投影为一条曲线。磨粒流加工是依靠磨粒流的湍流运动，带动磨粒对加工表面进行无序无规则的加工，所以磨粒流的湍流动能衡量磨粒流加工效果的一个关键因素。磨粒流的湍流总动能随时间的变化，湍流动能的变化是衡量湍流发展或衰退的指标。在加工过程中，随着磨粒与加工表面的碰撞，磨粒流的湍流动能会不断减少。采用磨粒流对人工关节进行加工的过程中，由于人工关节不同位置会产生不同的湍流损耗，因此在不同位置需要的不同的加工温度才能保证其加工的均匀性，由于高加工精度的限制，需要通过计算机来调节温度控制器，从而根据不同的流道位置，梯度的增加加工所需要的温度，进一步使流道内流体的粘度随温度梯度的改变，进一步梯度地增加磨粒流的湍动能，进一步补充磨粒流加工所消耗的能量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的类人工关节件湍流精密加工的过程中磨粒流的湍流总动能随时间的变化导致整个加工过程中加工效果的均匀性比较差的问题，提供了一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法，包括如下步骤：1)在类人工关节件外套装玻璃约束构件，玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道，玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，玻璃约束构件的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流以湍流状态进入仿形流道中，通过磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件表面的加工；2)建立仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式，其计算公式为：式中，u为磨粒流的平均速度，I为磨粒流的湍流强度，其中磨粒流的湍流强度I的计算公式为：式中，Re为磨粒流的雷诺系数，Re的计算公式为：式中，ρ为磨粒流的密度，d为水力直径，μ为磨粒流的粘度，μ的计算公式为如下：式中，t为磨粒流的温度；将雷诺系数Re的计算公式和粘度μ的计算公式代入湍流强度I的计算公式中，得到湍流强度I的公式计算如下：将湍流强度I的公式代入湍动能h的公式中，得到湍动能的计算公式如下：3)建立磨粒流的动能损失公式，磨粒流的动能损失包括湍动能的沿程损失和局部损失；湍动能的沿程损失为需要克服摩擦阻力而损耗的湍动能，此摩擦阻力主要是流体与管壁及流体本身的内部摩擦组成；沿程损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比，采用达西一维斯巴赫公式计算，因此磨粒流湍流动能的沿程损失h1的计算公式为：式中，R—非圆管的水力半径；λ为阻力系数，λ的计算公式为：湍动能的局部损失为磨粒流湍流在弯头处进行方向变化而损耗的湍动能hs，hs的计算公式为：式中，ξ为局部阻力系数，θ为弯管过渡角，d为弯管水力直径，k为弯管中线曲率半径，θ的计算公式为：4)结合湍动能的计算公式和沿程损失和局部损失的计算公式，建立温度与加工路径的关系式：设常温为t0时，湍动能计算公式h0为：设补偿温度后磨粒流温度为tn，此时的湍动能hn为：则湍动能的差值为△h＝hn-h0，为了保证加工的均匀性，令△h＝0，根据此等式建立温度与加工路径的关系式如下：设常温为24℃，由此转换得到根据加工路径变化后的温度变化，即温度补偿函数T，其计算公式为：5)根据温度补偿函数T沿仿形流道的侧面设置多个电磁波加热源，磁波加热源沿仿形流道分布并正对仿形流道，电磁波加热源的分布疏密根据温度补偿函数来确定，通过电磁波加热源对仿形流道内各个位置进行加热；6)待整个装置稳定工作后，通过独立调节每个电磁波加热源，对仿形流道内各个位置进行温度补偿，并利用磨粒流对类人工关节件进行持续加工，直到完成整个加工过程为止。进一步的，通过电磁波加热源的电磁波波长来控制电磁波加热源的补偿温度，电磁波加热源的强度由温度补偿函数T确定，根据人工关节的尺寸、种类和加工条件，计算出不同的湍动能的温度补偿函数，并根据温度补偿函数对每个电磁波加热源进行控制，该过程通过计算机来执行，实现湍动能的补偿。为了实现上述加工方法，本专利技术采用了如下的加工装置，包括玻璃约束构件、电磁波加热源、温度检测装置、支撑架、电磁波控制器和计算机，所述玻璃约束构件套装在人工关节外，所述玻璃约束构件的内表面与人工关节外表面形成厚度均匀的仿形流道，所述玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，所述玻璃约束构件的两端设有仿形流道入口和仿形流道出口；所述电磁波加热源安装在所述玻璃约束构件的一侧，所述电磁波加热源的形状与仿形流道的形状相同，电磁波加热源安装在支撑架上，电磁波加热源正对所述仿形流道；所述电磁波加热源与电磁波控制器电连接，电磁波控制器调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法，其特征在于：包括如下步骤：1)在类人工关节件外套装玻璃约束构件，玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道，玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，玻璃约束构件的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流以湍流状态进入仿形流道中，通过磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件表面的加工；2)建立仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式，其计算公式为：

【技术特征摘要】
1.一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法，其特征在于：包括如下步骤：1)在类人工关节件外套装玻璃约束构件，玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道，玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，玻璃约束构件的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流以湍流状态进入仿形流道中，通过磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件表面的加工；2)建立仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式，其计算公式为：式中，u为磨粒流的平均速度，I为磨粒流的湍流强度，其中磨粒流的湍流强度I的计算公式为：式中，Re为磨粒流的雷诺系数，Re的计算公式为：式中，ρ为磨粒流的密度，d为水力直径，μ为磨粒流的粘度，μ的计算公式为如下：式中，t为磨粒流的温度；将雷诺系数Re的计算公式和粘度μ的计算公式代入湍流强度I的计算公式中，得到湍流强度I的公式计算如下：将湍流强度I的公式代入湍动能h的公式中，得到湍动能的计算公式如下：3)建立磨粒流的动能损失公式，磨粒流的动能损失包括湍动能的沿程损失和局部损失；湍动能的沿程损失为需要克服摩擦阻力而损耗的湍动能，此摩擦阻力主要是流体与管壁及流体本身的内部摩擦组成；沿程损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比，采用达西一维斯巴赫公式计算，因此磨粒流湍流动能的沿程损失h1的计算公式为：式中，R—非圆管的水力半径；λ为阻力系数，λ的计算公式为：湍动能的局部损失为磨粒流湍流在弯头处进行方向变化而损耗的湍动能hs，hs的计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张利，袁智敏，王金顺，朴钟宇，戴勇，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33