一種人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面固液二相軟性磨粒流湍流加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超光滑精密加工領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，涉及一種人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面 固液二相軟性磨粒流湍流加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人工關(guān)節(jié)是一種具有關(guān)節(jié)功能的器官，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提 高，人工關(guān)節(jié)的需求將不斷擴(kuò)大。
[0003] 經(jīng)過(guò)成型燒結(jié)后的鈦合金人工關(guān)節(jié)假體并不能直接適用于人體內(nèi)部，還需要經(jīng)過(guò) 一系列的研磨、拋光等后續(xù)工藝處理，最終獲得平滑、均勻、高質(zhì)量表面并與人體骨頭配合 良好的人工關(guān)節(jié)。人工關(guān)節(jié)表面的光整程度對(duì)其功能和使用壽命有著至關(guān)重要的影響。鈦 合金以其高強(qiáng)度低模量的特性在人工關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中廣泛被采用，但鈦合金的表面光整加工中 存在切削加工性差、導(dǎo)熱系數(shù)低等缺陷，且人工關(guān)節(jié)表面多為復(fù)雜曲面，采用傳統(tǒng)拋光方法 難以對(duì)一些表面進(jìn)行有效加工，現(xiàn)今，人工關(guān)節(jié)拋光主要由手工操作，拋光效率低且拋光質(zhì) 量難以穩(wěn)定。
[0004] 固液二相軟性磨粒流是指具有較弱粘性的磨粒流，因此具有更好的流動(dòng)特性并可 實(shí)現(xiàn)湍流流動(dòng)。軟性磨粒流加工是一種微力微量的特種光整加工方法，主要是利用軟性磨 粒流的湍流狀態(tài)對(duì)工件進(jìn)行無(wú)序且激烈的碰撞，達(dá)到加工效果，這種光整加工方法可對(duì)小 孔、縫隙、管道內(nèi)壁、異形曲面等復(fù)雜的表面，硅、鈦、鎳、鎢合金及陶瓷等硬脆材料進(jìn)行有效 地光整加工。
[0005] 在對(duì)的人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面進(jìn)行加工時(shí)，我們通常采用與人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面形狀一 致的曲面與人工關(guān)節(jié)加工表面形成仿形流道，在仿形流道內(nèi)通入固液二相軟性磨粒流，利 用其形成的湍流進(jìn)行加工的，但是，復(fù)雜曲面仿形流道內(nèi)的壓力分布往往并不均勻，因此容 易導(dǎo)致整個(gè)復(fù)雜加工曲面工件表面的加工均勻性并不理想。針對(duì)這種情況，需要對(duì)流道內(nèi) 壓力較弱的位置進(jìn)行壓力補(bǔ)強(qiáng)，使得軟性磨粒流流體在整個(gè)仿形流道內(nèi)的壓力分布均勻， 從而提高被加工工件整體的加工質(zhì)量和均勻性。由于目前的仿形流道的間隙各處均相等， 若要改變壓力分布不均勻的情況，需要建立一個(gè)仿形流道的間隙不規(guī)則的流道模型，加大 壓力較大處的流道間隙，減小壓力較小出的流道間隙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有軟性磨粒流仿形加工過(guò)程中壓力分布不均勻?qū)е抡?個(gè)復(fù)雜曲面工件表面的加工均勻性不理想的問(wèn)題，提出了一種人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面固液二相 軟性磨粒流湍流加工方法。
[0007] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：一種人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面固液二相軟性 磨粒流湍流加工方法，包括如下步驟：
[0008] 1)建立人工關(guān)節(jié)需要加工的復(fù)雜曲面的數(shù)學(xué)模型，該復(fù)雜曲面的表面形狀可以簡(jiǎn) 化為由三段圓弧組成，該數(shù)學(xué)模型中第一圓心、第二圓心、第三圓心分別為三段圓弧的圓心 位置，三個(gè)圓心的坐標(biāo)分別為（Xl，yi)，（x2，y2)和（x3，y3)，該數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面固液二相軟性磨粒流湍流加工方法，包括如下步驟： 1) 建立人工關(guān)節(jié)需要加工的復(fù)雜曲面的數(shù)學(xué)模型，該復(fù)雜曲面的表面形狀可以簡(jiǎn)化 為由三段圓弧組成，該數(shù)學(xué)模型中第一圓心、第二圓心、第三圓心分別為三段圓弧的圓心位 置，三個(gè)圓心的坐標(biāo)分別為（Xl，yi)，（x2，y2)和（x3，y3)，該數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中：Pi、pJPP3分別為第一圓弧、第二圓弧和第三圓弧的曲率，單位為mm'xa、xb分別為第一圓弧和第二圓弧、第二圓弧和第三圓弧的連接點(diǎn)；1為復(fù)雜曲面的長(zhǎng)度，單位 為mm; 此外，
的解，同理：x#
的解； 2) 根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行約束式仿形流道內(nèi)的壓力數(shù)值仿真；將整個(gè)流道分成流道 區(qū)域A、流道區(qū)域B和流道區(qū)域C三個(gè)流道區(qū)域，流道區(qū)域A中的平均間隙為dl(0〈x〈xa)， 流道區(qū)域B中平均間隙為d2 (xa<x<xb)，流道區(qū)域C中平均間隙為d3 (xb〈x〈l)，流道 入口的壓力為P，在出入口處存在壓力的堆積效應(yīng)，且入口處的壓力堆積效應(yīng)要大于出口的 壓力堆積效應(yīng)，設(shè)流道入口附近、即流道區(qū)域A的壓力堆積效應(yīng)的壓力增益系數(shù)為aA，流道 出口附近、即流道區(qū)域C的壓力堆積效應(yīng)的壓力增益系數(shù)為ac，且aA>ac，a4和a。均 大于1;;壓力在曲率變化處，即xa，xb點(diǎn)均有損失，損失系數(shù)為exa和exb，該系數(shù)與曲率 有關(guān)，且exa和exb均大于〇,小于1;由于流道的流程很短，故流程對(duì)壓力的影響幾乎可以 忽略；流道的間隙對(duì)壓力的分布至關(guān)重要，由于是間隙不規(guī)則的仿形流道，并把流道分為三 個(gè)區(qū)域，把流道間隙對(duì)壓力分布影響同樣取為三個(gè)系數(shù)，這三個(gè)系數(shù)反比于流道平均間隙， 三個(gè)系數(shù)分別為Qdl，Qd2和0 &，故壓力數(shù)值分為三段表不：
上式即為流道內(nèi)壓力數(shù)值的求解公式； 3) 根據(jù)步驟2中的數(shù)值仿真結(jié)果和加工效果來(lái)分析在流道曲率、流程和入口壓力的參 數(shù)不變的情況下，計(jì)算出保證流道內(nèi)壓力分布均勻和加工均勻性良好的流道間隙要求，并 根據(jù)該流道間隙要求設(shè)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)需要的由約束工件和人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面組成的約束式 仿形流道； 4) 利用設(shè)計(jì)出的約束式仿形流道對(duì)人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面進(jìn)行加工。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面固液二相軟性磨粒流湍流加工方法，建立人工關(guān)節(jié)需要加工的復(fù)雜曲面的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行約束式仿形流道內(nèi)的壓力數(shù)值仿真；根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果和加工效果來(lái)分析在流道曲率、流程和入口壓力的參數(shù)不變的情況下，計(jì)算出保證流道內(nèi)壓力分布均勻和加工均勻性良好的流道間隙要求，并根據(jù)該流道間隙要求設(shè)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)需要的由約束工件和人工關(guān)節(jié)復(fù)雜曲面組成的約束式仿形流道；本發(fā)明通過(guò)針對(duì)具有復(fù)雜曲面的人工關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真分析，提出了一種可行性較強(qiáng)、且自動(dòng)高效的光整加工方案。
【IPC分類(lèi)】G06F19-00, B24C1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104690649
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510076926
【發(fā)明人】張利, 計(jì)時(shí)鳴, 文東輝, 樸鐘宇, 戴勇, 單曉杭, 張瑞, 王金順
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日