变刚度锥形螺旋弹簧阵列抛光盘的制作方法

本发明涉及人工关节超精密加工技术领域，更具体地说，发明了针对钴基合金人工关节自由曲面高效抛光的新型拋光盘。

背景技术：

人工关节用金属材料作为重要的生物材料组成部份，近20年来得到了长足的发展。人工关节作为模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能，目前主要以髋关节、膝关节置换为主。医用钴基合金具有良好的耐腐蚀性能、耐磨损性能和抗热疲劳性能，热导率高，热膨胀系数较低，杨氏模量不随其强度变化而变化，生物相容性好，因而被广泛应用于人工关节领域。而超光滑的钴基合金表面将使人工关节具有更为优越的使用性能，例如钴基合金人工髋关节，理想的表面质量将有助于进一步减少使用过程中的磨损，增加使用寿命；此外，钴基合金人工膝关节的表面细菌粘附程度将和其表面粗糙度成正比，超光滑的钴基合金人工关节将有助于减少菌斑堆积，预防腐蚀。抛光盘则是用来对人工关节曲面精密拋光加工的一个重要部件。

目前存在的抛光盘底部大都采用刚性的圆盘以支撑磨粒，因此这类拋光盘只能加工平面工件，因此对钴基合金人工关节的自由曲面很难抛光加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于曲面精密拋光加工、具有一定的自适应性，可加工一定曲率的曲面，扩大了加工范围的变刚度锥形螺旋弹簧阵列抛光盘。

本发明所述的变刚度锥形螺旋弹簧阵列抛光盘，其特征在于：包括抛光盘本体、锥形螺旋弹簧阵列、抛光垫以及半球形支架，所述抛光盘本体的上部设有抛光腔，所述抛光盘本体底部与受电机驱动的旋转工作台固接，实现抛光盘本体绕其中心轴周向旋转；所述抛光盘本体的抛光腔内底面装有锥形螺旋弹簧阵列；所述锥形螺旋弹簧阵列的上表面贴覆用于支撑磨粒和防水保护的抛光垫；所述锥形螺旋弹簧阵列包括若干相互独立的锥形螺旋弹簧，每个锥形螺旋弹簧对应一个半球形支架，所述锥形螺旋弹簧的小口径端与所述抛光盘本体的内底面固接，所述锥形螺旋弹簧的大口径端与相应的半球形支架底部固接，所述半球形支架上部的弧形曲线与抛光垫的下表面接触；所述抛光垫的边沿与所述抛光盘本体的抛光腔内壁密封贴合，所述抛光垫的上表面覆盖磨粒层，并且磨粒层上填充用于润滑和散热的抛光液。

所述锥形螺旋弹簧的纵向高度一致，并且所述锥形螺旋弹簧沿其轴向从上到下相邻节距渐减，相邻螺旋升角渐减；由于磨粒与自由曲面接触过程中存在各向异性，因此所述锥形螺旋弹簧单体采用上疏下密的设计可使变刚度锥形弹簧产生足够的微调角α，使对磨粒的支撑获得一定程度上的方向可调，从而提升磨粒加工的曲面适应性。

所述锥形螺旋弹簧均匀分布在抛光盘本体的内底面。

相邻两个所述半球形支架弧形曲面之间存在用于容纳抛光垫冗余部分的空间，以无定形的形态存在，工作过程中可被拉伸或者压缩，从而保证锥形弹簧接触变形时不撕毁抛光垫。

所述抛光垫为复合薄膜，复合薄膜是由聚合有机硅和无机多聚体构成，厚度为0.5mm～2mm。

所述抛光盘本体的抛光腔中心设有紫外线灯。

所述锥形螺旋弹簧阵列是由多个具有良好平行度和光洁度的所述锥形螺旋弹簧构成，各个所述锥形螺旋弹簧密集排布，相互之间独立运动。所述锥形螺旋弹簧单体的制造过程为：在毛坯制成弹簧钢后进行淬火和回火处理，然后端面经车削精密加工，进而获得具有良好平行度和光洁度的所述锥形螺旋弹簧单体。所述锥形螺旋弹簧单体采用上疏下密的设计方法，在弹簧受力过程中实现变刚度。单个所述刚性半球形支架的底部与单个所述锥形螺旋弹簧阵列相粘连，使各个所述刚性半球形支架在工作过程中不脱离。任意两个所述刚性半球形支架之间存在薄膜冗余部分，工作过程中可被拉伸或者压缩。

工作原理：所述抛光盘底部由电机驱动实现旋转运动。所述拋光垫上方为所述麿粒层和所述抛光液，所述人工关节从上向下做进给运动。当所述人工关节运动到与所述磨粒层接触时开始拋光加工，由于所述人工关节为不规则曲面，因此在所述人工关节接触到所述磨粒层时，由于锥形螺旋弹簧受到各向异性外力而产生接触变形。所述锥形螺旋弹簧单体采用上疏下密的设计可使所述锥形螺旋弹簧单体上部疏圈螺旋部快速响应支撑磨粒接触变化；使所述磨粒层在对应受力的位置迅速下陷，不同位置受力大小的不同使所述磨料层相应位置下陷不同的深度，于是在所述磨粒层上表面迅速形成与所述人工关节加工面相吻合的曲面。最低限度降低了所述人工关节曲面的不必要磨损，同时实现对所述人工关节的曲面进行均匀拋光。

本发明的有益效果在于：本发明结构紧凑，设计巧妙，有效地解决了目前存在的拋光盘无法加工不规则曲面的问题并提高了加工效率，有益效果明显；此新型抛光盘创造性地在其底部增加了可变刚度的锥形弹簧，使拋光盘在接触到曲面时会具有良好的自适应性。

附图说明

图1是本发明变刚度锥形弹簧结构简图。

图2是本发明变刚度锥形弹簧受力简图。

图3是本发明弹簧阵列抛光盘(实心箭头为抛光盘的转动方向)。

图4是本发明拋光盘工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的变刚度锥形螺旋弹簧阵列抛光盘，包括抛光盘本体4、锥形螺旋弹簧阵列1、抛光垫3以及半球形支架2，所述抛光盘本体4的上部设有抛光腔，所述抛光盘本体4底部与受电机驱动的旋转工作台固接，实现抛光盘本体4绕其中心轴周向旋转；所述抛光盘本体4的抛光腔内底面装有锥形螺旋弹簧阵列1；所述锥形螺旋弹簧阵列1的上表面贴覆用于支撑磨粒和防水保护的抛光垫3；所述锥形螺旋弹簧阵列1包括若干相互独立的锥形螺旋弹簧11，每个锥形螺旋弹簧11对应一个半球形支架2，所述锥形螺旋弹簧11的小口径端与所述抛光盘本体4的内底面固接，所述锥形螺旋弹簧11的大口径端与相应的半球形支架2底部固接，所述半球形支架2上部的弧形曲线与抛光垫3的下表面接触；所述抛光垫3的边沿与所述抛光盘本体4的抛光腔内壁密封贴合，所述抛光垫3的上表面覆盖磨粒层7，并且磨粒层7上填充用于润滑和散热的抛光液抛光液6。

所述锥形螺旋弹簧11的纵向高度一致，并且所述锥形螺旋弹簧11沿其轴向从上到下相邻节距渐减，相邻螺旋升角渐减；由于磨粒与自由曲面接触过程中存在各向异性，因此所述锥形螺旋弹簧单体采用上疏下密的设计可使变刚度锥形弹簧产生足够的微调角α，使对磨粒的支撑获得一定程度上的方向可调，从而提升磨粒加工的曲面适应性。

所述锥形螺旋弹簧11均匀分布在抛光盘本体4的内底面。

相邻两个所述半球形支架2弧形曲面之间存在用于容纳抛光垫冗余部分的空间，以无定形的形态存在，工作过程中可被拉伸或者压缩，从而保证锥形弹簧接触变形时不撕毁抛光垫。

所述抛光垫3为复合薄膜，复合薄膜是由聚合有机硅和无机多聚体构成，厚度为0.5mm～2mm。

所述抛光盘本体的抛光腔中心设有紫外线灯。

所述锥形螺旋弹簧阵列1是由多个具有良好平行度和光洁度的所述锥形螺旋弹簧11构成，各个所述锥形螺旋弹簧11密集排布，相互之间独立运动。所述锥形螺旋弹簧11的制造过程为：在毛坯制成弹簧钢后进行淬火和回火处理，然后端面经车削精密加工，进而获得具有良好平行度和光洁度的所述锥形螺旋弹簧单体。所述锥形螺旋弹簧单体采用上疏下密的设计方法，在弹簧受力过程中实现变刚度。单个所述刚性半球形支架的底部与单个所述锥形螺旋弹簧阵列相粘连，使各个所述刚性半球形支架在工作过程中不脱离。任意两个所述刚性半球形支架之间存在薄膜冗余部分，工作过程中可被拉伸或者压缩。

工作原理：所述抛光盘本体4底部由电机驱动实现旋转运动。所述拋光垫3上方为所述磨粒层7和所述抛光液6，所述人工关节从上向下做进给运动。当所述人工关节6运动到与所述磨粒层7接触时开始拋光加工，由于所述人工关节为不规则曲面，因此在所述人工关节接触到所述磨粒层7时，由于锥形螺旋弹簧11受到各向异性外力而产生接触变形。所述锥形螺旋弹簧11采用上疏下密的设计可使所述锥形螺旋弹簧单体上部疏圈螺旋部快速响应支撑磨粒接触变化；使所述磨粒层在对应受力的位置迅速下陷，不同位置受力大小的不同使所述磨料层相应位置下陷不同的深度，于是在所述磨粒层上表面迅速形成与所述人工关节加工面相吻合的曲面。最低限度降低了所述人工关节曲面的不必要磨损，同时实现对所述人工关节的曲面进行均匀拋光。

图1、2所示的锥形螺旋弹簧以两级螺旋为例，定义锥形螺旋弹簧小口径端为下，大口径端为上，即锥形螺旋弹簧的外轮廓所在的锥形为倒锥型，从上到下依次命名为第一级螺旋、第二级螺旋，并且第一级螺旋的节距Z₁大于第二级螺旋的节距Z₂；相应的第一级螺旋对应的螺旋升角θ₁大于第二级螺旋对应的螺旋升角θ₂；D1为锥形螺旋弹簧大口径端所在切面对应的倒锥型的直径；D2为锥形螺旋弹簧小口径端所在切面对应的倒锥型的直径。

图2所示：F_a、F_b分别为施加在锥形螺旋弹簧大口径端的外力，α为锥形螺旋弹簧的微调角。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。