本發(fā)明涉及磨粒流拋光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，尤其涉及一種類人工關(guān)節(jié)件磨粒流湍流拋光變溫加工方法。

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)難以滿足市場的廣泛需求。

磨粒流加工技術(shù)采用專用夾具對復(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，磨粒在湍流的帶動下無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)小帶來的加工困難。流體加工方法是通基液驅(qū)動磨粒對工件表面進(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?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，同時(shí)復(fù)雜曲面阻止了法向速度脈動，離開曲面稍微遠(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。

在實(shí)際的人工關(guān)節(jié)拋光加工前，我們需要對湍流拋光情況進(jìn)行模擬測試，通常采用的是類人工關(guān)節(jié)件來模擬人工關(guān)節(jié)，通過磨粒流湍流拋光裝置對類人工關(guān)節(jié)件進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后才會對人工關(guān)節(jié)進(jìn)行實(shí)際加工生產(chǎn)。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，為了簡化模擬過程，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們采用的類人工關(guān)節(jié)件的曲面是由一個平面彎曲而成的，與待加工曲面相連接的兩個側(cè)面呈平面狀，整個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，帶動磨粒對加工表面進(jìn)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(guān)鍵因素。磨粒流的湍流總動能隨時(shí)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(biāo)。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。采用磨粒流對人工關(guān)節(jié)進(jìn)行加工的過程中，由于人工關(guān)節(jié)不同位置會產(chǎn)生不同的湍流損耗，因此在不同位置需要的不同的加工溫度才能保證其加工的均勻性，由于高加工精度的限制，需要通過計(jì)算機(jī)來調(diào)節(jié)溫度控制器，從而根據(jù)不同的流道位置，梯度的增加加工所需要的溫度，進(jìn)一步使流道內(nèi)流體的粘度隨溫度梯度的改變，進(jìn)一步梯度地增加磨粒流的湍動能，進(jìn)一步補(bǔ)充磨粒流加工所消耗的能量。

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程中磨粒流的湍流總動能隨時(shí)間的變化導(dǎo)致整個加工過程中加工效果的均勻性比較差的問題，提供了一種類人工關(guān)節(jié)件磨粒流湍流拋光變溫加工方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：一種類人工關(guān)節(jié)件磨粒流湍流拋光變溫加工方法，包括如下步驟：

1)在類人工關(guān)節(jié)件外套裝玻璃約束構(gòu)件，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，玻璃約束構(gòu)件由壁厚相同的玻璃材料制成，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，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，由仿形流道入口向仿形流道內(nèi)通入磨粒流，使磨粒流以湍流狀態(tài)進(jìn)入仿形流道中，通過磨粒流中磨粒的無序運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)類人工關(guān)節(jié)件表面的加工；

2)建立仿形流道內(nèi)磨粒流的湍動能h與湍流強(qiáng)度I的關(guān)系式，其計(jì)算公式為：

式中，u為磨粒流的平均速度，I為磨粒流的湍流強(qiáng)度，其中磨粒流的湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式為：

式中，Re為磨粒流的雷諾系數(shù)，Re的計(jì)算公式為：

式中，ρ為磨粒流的密度，d為水力直徑，μ為磨粒流的粘度，μ的計(jì)算公式為如下：

式中，t為磨粒流的溫度；

將雷諾系數(shù)Re的計(jì)算公式和粘度μ的計(jì)算公式代入湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式中，得到湍流強(qiáng)度I的公式計(jì)算如下：

將湍流強(qiáng)度I的公式代入湍動能h的公式中，得到湍動能的計(jì)算公式如下：

3)建立磨粒流的動能損失公式，磨粒流的動能損失包括湍動能的沿程損失和局部損失；

湍動能的沿程損失為需要克服摩擦阻力而損耗的湍動能，此摩擦阻力主要是流體與管壁及流體本身的內(nèi)部摩擦組成；沿程損失與長度、粗糙度及流速的平方成正比，而與管徑成反比，采用達(dá)西一維斯巴赫公式計(jì)算，因此磨粒流湍流動能的沿程損失h₁的計(jì)算公式為：

式中，R—非圓管的水力半徑；λ為阻力系數(shù)，λ的計(jì)算公式為：

湍動能的局部損失為磨粒流湍流在彎頭處進(jìn)行方向變化而損耗的湍動能h_s，h_s的計(jì)算公式為：

式中，ξ為局部阻力系數(shù)，θ為彎管過渡角，d為彎管水力直徑，k為彎管中線曲率半徑，θ的計(jì)算公式為：

4)結(jié)合湍動能的計(jì)算公式和沿程損失和局部損失的計(jì)算公式，建立溫度與加工路徑的關(guān)系式：

設(shè)常溫為t₀時(shí)，湍動能計(jì)算公式h₀為：

設(shè)補(bǔ)償溫度后磨粒流溫度為t_n，此時(shí)的湍動能h_n為：

則湍動能的差值為△h＝h_n-h₀，為了保證加工的均勻性，令△h＝0，根據(jù)此等式建立溫度與加工路徑的關(guān)系式如下：

設(shè)常溫為24℃，由此轉(zhuǎn)換得到根據(jù)加工路徑變化后的溫度變化，即溫度補(bǔ)償函數(shù)T，其計(jì)算公式為：

5)根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)T沿仿形流道的側(cè)面設(shè)置多個電磁波加熱源，磁波加熱源沿仿形流道分布并正對仿形流道，電磁波加熱源的分布疏密根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)來確定，通過電磁波加熱源對仿形流道內(nèi)各個位置進(jìn)行加熱；

6)待整個裝置穩(wěn)定工作后，通過獨(dú)立調(diào)節(jié)每個電磁波加熱源，對仿形流道內(nèi)各個位置進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并利用磨粒流對類人工關(guān)節(jié)件進(jìn)行持續(xù)加工，直到完成整個加工過程為止。

進(jìn)一步的，通過電磁波加熱源的電磁波波長來控制電磁波加熱源的補(bǔ)償溫度，電磁波加熱源的強(qiáng)度由溫度補(bǔ)償函數(shù)T確定，根據(jù)人工關(guān)節(jié)的尺寸、種類和加工條件，計(jì)算出不同的湍動能的溫度補(bǔ)償函數(shù)，并根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)對每個電磁波加熱源進(jìn)行控制，該過程通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)湍動能的補(bǔ)償。

為了實(shí)現(xiàn)上述加工方法，本發(fā)明采用了如下的加工裝置，包括玻璃約束構(gòu)件、電磁波加熱源、溫度檢測裝置、支撐架、電磁波控制器和計(jì)算機(jī)，所述玻璃約束構(gòu)件套裝在人工關(guān)節(jié)外，所述玻璃約束構(gòu)件的內(nèi)表面與人工關(guān)節(jié)外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)件的兩端設(shè)有仿形流道入口和仿形流道出口；所述電磁波加熱源安裝在所述玻璃約束構(gòu)件的一側(cè)，所述電磁波加熱源的形狀與仿形流道的形狀相同，電磁波加熱源安裝在支撐架上，電磁波加熱源正對所述仿形流道；所述電磁波加熱源與電磁波控制器電連接，電磁波控制器調(diào)節(jié)所述電磁波加熱源的電磁波波長、電磁波強(qiáng)度大小和電磁波的聚集效果；所述溫度檢測裝置正對所述玻璃約束構(gòu)件并用于檢測仿形流道內(nèi)溫度分布情況，所述溫度檢測裝置與電磁波控制器電連接，電磁波控制器與計(jì)算機(jī)電連接。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)，通過分段加熱，快速均勻地提高了溫度，提高了加工效率，且無污染。

2、本發(fā)明利用采用計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)溫度，精確度高，可靠性高；補(bǔ)償磨粒流加工能量的損失，極大程度的提高了工件的加工質(zhì)量及加工精度。

3、本發(fā)明通過人工關(guān)節(jié)曲面的仿形建立玻璃約束構(gòu)件，玻璃約束構(gòu)件與人工關(guān)節(jié)之間形成厚度均勻的磨粒流受控仿形流道，人工關(guān)節(jié)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，通過磨粒流中磨粒的無序運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)表面的微力微量切削，達(dá)到鏡面級表面粗糙度，拋光精度高。

4、由于磨粒流在仿形流道中運(yùn)動時(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)致了人工關(guān)節(jié)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(gòu)件的側(cè)面放置電磁波加熱源，增加磨粒流切削液的湍動能和速度，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，使人工關(guān)節(jié)表面加工質(zhì)量更加的均勻。

5、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)件問題，且玻璃材質(zhì)透明，有利于對磨粒流切削液流動狀態(tài)的進(jìn)行觀察。

6、本發(fā)明將電磁波加熱源分布成仿形流道形狀，可以有效的避免對人工關(guān)節(jié)加熱，影響人工關(guān)節(jié)加工效果。因?yàn)槿斯りP(guān)節(jié)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(yùn)動，阻礙上層的磨粒流切削液下降，阻擋磨粒對人工關(guān)節(jié)表面的碰撞切削。

7、本發(fā)明通過建立溫度補(bǔ)償函數(shù)，實(shí)時(shí)直觀的反映了仿形流道內(nèi)磨粒流的溫度變化，從而方便進(jìn)行仿形流道內(nèi)各個位置的溫度補(bǔ)償，方便對電磁波加熱源進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，從而保證加工過程的均勻性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種類人工關(guān)節(jié)件磨粒流湍流拋光變溫加工方法的流程示意圖。

圖2是本發(fā)明人工關(guān)節(jié)的溫度補(bǔ)償曲線圖。

圖3是本發(fā)明電磁波加熱源布置圖。

圖4是本發(fā)明加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-電磁波控制器、2-玻璃約束構(gòu)件、3-電磁波加熱源、4-支撐架、5-氣膜泵、6-攪拌器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1～4所示，本發(fā)明的加工裝置包括電磁波控制器1、玻璃約束構(gòu)件2、電磁波加熱源3、支撐架4、氣膜泵5和攪拌器6，玻璃約束構(gòu)件2套裝在類人工關(guān)節(jié)件外，玻璃約束構(gòu)件2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，玻璃約束構(gòu)件2由壁厚相同的玻璃材料支撐，玻璃約束構(gòu)件2的兩端分別設(shè)有與仿形流道相連通的仿形流道入口和仿形流道出口，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；仿形流道入口通過管道依次連接氣膜泵5、攪拌器6和仿形流道出口，氣膜泵5、攪拌器6和仿形流道通過管道構(gòu)成磨粒流循環(huán)系統(tǒng)，磨粒流在氣膜泵5、攪拌器6和仿形流道之間循環(huán)流動；電磁波加熱源3設(shè)置在玻璃約束構(gòu)件2的一側(cè)并固定在支撐架4上，電磁波控制器1連接電磁波加熱源3并控制所述電磁波加熱源3的強(qiáng)度。

電磁波加熱源3包括沿仿形流道分布的多個加熱源，每個加熱源受電磁波控制器1的獨(dú)立控制，加熱源的分布根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)來確定。

由上述裝置進(jìn)行的一種類人工關(guān)節(jié)件磨粒流湍流拋光變溫加工方法包括如下步驟：

1)在類人工關(guān)節(jié)件外套裝玻璃約束構(gòu)件，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，玻璃約束構(gòu)件由壁厚相同的玻璃材料制成，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，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，由仿形流道入口向仿形流道內(nèi)通入磨粒流，使磨粒流以湍流狀態(tài)進(jìn)入仿形流道中，通過磨粒流中磨粒的無序運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)類人工關(guān)節(jié)件表面的加工；

2)建立仿形流道內(nèi)磨粒流的湍動能h與湍流強(qiáng)度I的關(guān)系式，其計(jì)算公式為：

式中，u為磨粒流的平均速度，I為磨粒流的湍流強(qiáng)度，其中磨粒流的湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式為：

式中，Re為磨粒流的雷諾系數(shù)，Re的計(jì)算公式為：

式中，ρ為磨粒流的密度，d為水力直徑，μ為磨粒流的粘度，μ的計(jì)算公式為如下：

式中，t為磨粒流的溫度；

將雷諾系數(shù)Re的計(jì)算公式和粘度μ的計(jì)算公式代入湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式中，得到湍流強(qiáng)度I的公式計(jì)算如下：

將湍流強(qiáng)度I的公式代入湍動能h的公式中，得到湍動能的計(jì)算公式如下：

3)建立磨粒流的動能損失公式，磨粒流的動能損失包括湍動能的沿程損失和局部損失；

湍動能的沿程損失為需要克服摩擦阻力而損耗的湍動能，此摩擦阻力主要是流體與管壁及流體本身的內(nèi)部摩擦組成；沿程損失與長度、粗糙度及流速的平方成正比，而與管徑成反比，采用達(dá)西一維斯巴赫公式計(jì)算，因此磨粒流湍流動能的沿程損失h₁的計(jì)算公式為：

式中，R—非圓管的水力半徑；λ為阻力系數(shù)，λ的計(jì)算公式為：

湍動能的局部損失為磨粒流湍流在彎頭處進(jìn)行方向變化而損耗的湍動能h_s，h_s的計(jì)算公式為：

式中，ξ為局部阻力系數(shù)，θ為彎管過渡角，d為彎管水力直徑，k為彎管中線曲率半徑，θ的計(jì)算公式為：

4)結(jié)合湍動能的計(jì)算公式和沿程損失和局部損失的計(jì)算公式，建立溫度與加工路徑的關(guān)系式：

設(shè)常溫為t₀時(shí)，湍動能計(jì)算公式h₀為：

設(shè)補(bǔ)償溫度后磨粒流溫度為t_n，此時(shí)的湍動能h_n為：

則湍動能的差值為△h＝h_n-h₀，為了保證加工的均勻性，令△h＝0，根據(jù)此等式建立溫度與加工路徑的關(guān)系式如下：

設(shè)常溫為24℃，由此轉(zhuǎn)換得到根據(jù)加工路徑變化后的溫度變化，即溫度補(bǔ)償函數(shù)T，其計(jì)算公式為：

5)根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)T沿仿形流道的側(cè)面設(shè)置多個電磁波加熱源，磁波加熱源沿仿形流道分布并正對仿形流道，電磁波加熱源的分布疏密根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)來確定，通過電磁波加熱源對仿形流道內(nèi)各個位置進(jìn)行加熱；

6)待整個裝置穩(wěn)定工作后，通過獨(dú)立調(diào)節(jié)每個電磁波加熱源，對仿形流道內(nèi)各個位置進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并利用磨粒流對類人工關(guān)節(jié)件進(jìn)行持續(xù)加工，直到完成整個加工過程為止。

通過電磁波加熱源的電磁波波長來控制電磁波加熱源的補(bǔ)償溫度，電磁波加熱源的強(qiáng)度由溫度補(bǔ)償函數(shù)T確定，根據(jù)人工關(guān)節(jié)的尺寸、種類和加工條件，計(jì)算出不同的湍動能的溫度補(bǔ)償函數(shù)，并根據(jù)溫度補(bǔ)償函數(shù)對每個電磁波加熱源進(jìn)行控制，該過程通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)湍動能的補(bǔ)償。

上述實(shí)施例只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動即可在上述實(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)。