医用人工关节球表面微织构制备方法及加工装置与流程

技术领域：

本发明涉及一种医用人工关节球的加工技术，特别是涉及一种医用人工关节球表面微织构制备方法及加工装置。

背景技术：
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关节是人体承受载荷最大的生物摩擦副，各种交通安全事故、激烈运动和疾病等引发的人体关节损坏和病变已经成为影响人体生命健康和生活质量的重要因素。目前全球人工关节需求迅猛增长，美国平均每年人工关节消费量超过100万套，产值超过100亿美元,据测算，我国人工关节潜在需求量超过300万套，2014年实际消费量40余万套，目前仍保持年均15%-20%的高速增长，市场潜力巨大。然而，人工关节在人体内的磨损过快、磨屑引发的“磨屑病”仍然是影响关节置换寿命的难题。2008年，由于临床应用后的失败率远远超出预期，Zimmer公司主动召回了旗下的Durom髋臼假体组件(金属对金属)；2010年，由于失败率约为1/8，强生公司旗下的DePuy公司不得不主动召回其ASRXL髋关节假体(金属对金属)，而召回公司说明召回的原因是患者出现了高翻修率；2012年，由于金属毒性和较高的翻修率，Stryker公司不得不召回其Rejuvenate髋关节假体(金属对金属)；同年，也是由于关节翻修率高于英国国家卫生与临床优化研究所所设定的翻修率基准，施乐辉医用产品国际贸易(上海)有限公司对髋关节置换系统(商品名：Birmingham)进行了召回。

显然，人工关节的表面质量是能否保证其长时间安全服役的关键指标之一，须对人工关节表面进行加工强化或改性再处理以提高疲劳强度、延长服役寿命。因此制备具有承载抗磨、耐蚀性能并具有自润滑微织纹理特性的人工关节。需在人工关节表面引入微织结构，这种微织结构具有深度残余压应力且兼顾表面微观结构纳米化、几何形态纳米化面型精度等特点。

中国专利文献(申请号201610495238.5 )涉及一种带微织构的航空关节轴承及其制造方法,该发明表面微织构是采用带有微凸起的超声滚压工具滚压关节轴承内圈的外表面和外圈的内表面，实现表面微织构的成形，使关节轴承内外表面表面粗糙度大幅度降低，金属晶粒细化，微观硬度提高，摩擦系数下降，由于引入压应力，使关节轴承的抗疲劳性能大幅提高；其次还有中国专利文献(申请号201710304443.3)涉及一种内表面微织构制备方法, 用于在工件的内墙壁加工微织构，运用磨粒磨削工件内表面加工微织构，磨粒设于加工装置的外表面,并随着加工装置的转动加工工件的内腔壁以形成微织构,加工效率高.但此方法加工过程中产生大量热，对微织构质量产生影响。上述微织构形成方法主要适用于板件，棒料等单一型面。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种磨损慢、使用寿命长、能在表面引入深度残余压应力且兼顾表面微观结构的医用人工关节球表面微织构制备方法及加工装置。

本发明的技术方案是：

一种医用人工关节球表面微织构制备方法，包括以下步骤：

a、结合医用人工关节球表面的特点，建立微阵列研挤头，在微阵列研挤头的后端设置安装孔，在微阵列研挤头的前端间隔均布设置研磨柱；

b、设置超声换能器，超声换能器的后端与研挤刀柄连接，超声换能器的螺旋式变幅杆的前端通过双头螺栓与微阵列研挤头的后端连接，螺旋式变幅杆上设置有螺旋槽，在超声振动纵向分量基础上引入了扭转分量，产生具有特定纵扭振动幅比的单激励纵扭共振模态；

c、将研挤刀柄安装在机床的刀架或主轴上，将医用人工关节球连接在机床卡盘上，研挤刀柄随着机床刀架或主轴运转，带动微阵列研挤头径向进给挤压，超声换能器将通过感应线圈处输入的电功率转化为超声波机械振动形式，经螺旋式变幅杆将振动传递至微阵列研挤头，最后作用在医用人工关节球的表面上；

d、微阵列研挤头绕工件球心回转进给运动，完成整个球面的研挤加工，加工出微织结构。

超声换能器包括压电陶瓷片、铜电极、螺旋式变幅杆和感应线圈，相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂进行粘合，在螺旋式变幅杆的端部开设螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比。

微阵列研挤头的研磨柱为菱形、方形或圆形，其中，方形研磨柱和菱形研磨柱通过慢走丝线切割机加工而成，圆形研磨柱通过电火花反拷平动放电加工而成。

研磨柱的直径或边长为100-500μm，研磨柱高度600-1000μm，研磨柱的均布间距20-80μm；利用研磨柱在关节球表面加工出的微坑结构，具有很好的储油润滑性能，超声加工的纹理尺度起着承载的作用。

医用人工关节球采用钛合金Ti-6Al-4V制成，通过不同工作模态、不同振动维数、不同振幅、频率和功率对高速旋转构件进行超声研挤；同时给予不同种类的流量从小到大从缓到急冷的冷却液进行冷却，最终在关节球上加工出表面微织构。

一种医用人工关节球表面微织构加工装置，包括超声换能器，所述超声换能器包括压电陶瓷片、铜电极、螺旋式变幅杆和感应线圈，所述螺旋式变幅杆的端部开设螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比，所述超声换能器的后端与研挤刀柄连接，所述螺旋式变幅杆的前端通过双头螺栓与微阵列研挤头的后端连接，所述微阵列研挤头的前端间隔均布设置研磨柱，所述研挤刀柄安装在机床的刀架或主轴上，随着机床刀架或主轴运转，带动微阵列研挤头径向进给挤压，超声换能器将通过感应线圈处输入的电功率转化为超声波机械振动形式，经螺旋式变幅杆将振动传递至微阵列研挤头，最后作用在医用人工关节球的表面上，加工出带毛毡状的微织结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明主要对传统技术制造人工关节在人体内磨损过快，出现高的翻修率，使用寿命短等问题，提出了一种纳米化、几何状态纳米化和面型精度的加工方式，作用于人工关节球表面,在关节球表面引入深度残余压应力和表面微织构结构,实现钛合金人工关节球表面的纹理化和细晶化,进而获得具有极高抗磨损性能的高附加值医用钛合金人工关节，增强其在生理环境下的生物摩擦学性能,提高人工关节置换的稳定性和可靠性。

2、本发明利用超声纵扭铣削钛合金Ti-6Al-4V加工出“毛毡状”表面微织构，这种微织结构具有很好的储油润滑性能，而超声加工的微织尺度起着承载的作用。

3、本发明所施用的超声研挤工具相较于传统超塑性变形细晶方法加工单一棒料，丝材，板件，更适用于加工人工关节球表面等复杂型面加工；表面微织构制备方法是将超声振动切削纹理和微阵列压印的优点相结合,可以实现表面层组织状态和微织结构可控化。

4、本发明在变幅杆上开纵向螺旋槽，单激励产生的纵向振动在螺旋体与圆柱面接触的根部分解为沿着螺旋线方向和垂直螺旋线方向的振动，当这两种振动的振动频率与螺旋体的局部弯曲振动频率接近或相同时，螺旋体将产生纵向共振和弯曲共振，等效于螺旋体沿圆周面进行扭转振动，但发射端的结构阻尼会造成输出端的纵向振动与扭转振动产生相位差，从而实现工具头的单激励纵-扭复合超声振动。

5、本发明设计合理、容易实施，能够在表面引入深度残余压应力且兼顾表面微观结构，储油润滑性能好，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为医用人工关节球表面微织构加工装置的结构示意图；

图2为图1中螺旋式变幅杆的结构示意图；

图3为图2中螺纹孔剖面图；

图4为菱形微阵列研挤头的结构示意图；

图5为方形微阵列研挤头的结构示意图；

图6为圆形微阵列研挤头的结构示意图。

具体实施方式：

实施例：参见图1-图6，图中，101-研挤刀柄，102-超声换能器，103-螺旋式变幅杆，104-微阵列研挤头，105-感应线圈，106-双头螺柱，201-螺旋槽。

医用人工关节球表面微织构制备方法及加工装置，其技术方案是：

a、结合医用人工关节球表面的特点，建立微阵列研挤头104，在微阵列研挤头104的后端设置安装孔，在微阵列研挤头104的前端间隔均布设置研磨柱；

b、设置超声换能器102，超声换能器102的后端与研挤刀柄101连接，超声换能器102的螺旋式变幅杆103的前端通过双头螺柱106与微阵列研挤头104的后端连接，螺旋式变幅杆103上设置有螺旋槽201，在超声振动径向分量基础上引入了扭转分量，产生具有特定纵扭振动幅比的单激励纵扭共振模态；

c、将研挤刀柄101安装在非球面车床的刀架上，将医用人工关节球连接在车床卡盘上，研挤刀柄101随着车床刀架或主轴运转，带动微阵列研挤头104径向进给挤压，研挤刀柄101起到支撑和回转运动的作用，超声换能器102将通过感应线圈105处输入的电功率转化为超声波机械振动形式，经螺旋式变幅杆103将振动传递至微阵列研挤头104，最后作用在医用人工关节球的表面上；

d、研挤刀柄101绕工件球心回转进给运动，完成整个球面的研挤加工，加工出微织结构。

超声换能器102包括压电陶瓷片、铜电极、螺旋式变幅杆103和感应线圈105，相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂进行粘合，在螺旋式变幅杆的端部开设螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比。

微阵列研挤头104的研磨柱为菱形、方形或圆形，其中，方形研磨柱和菱形研磨柱通过慢走丝线切割机加工而成，圆形研磨柱通过电火花反拷平动放电加工而成。研磨柱的直径或边长为100-500μm，研磨柱高度600-1000μm，研磨柱的均布间距20-80μm；利用研磨柱在关节球表面加工出的微坑结构，具有很好的储油润滑性能，超声加工的纹理尺度起着承载的作用。根据研磨柱的形状和排列方式能够形成不同的微织结构，比如能够形成“毛毡状”表面微织构，另外，机床可以采用非球面车床，也可以采用五轴机床，根据需要选取。

医用人工关节球采用钛合金Ti-6Al-4V制成，通过不同工作模态、不同振动维数、不同振幅、频率和功率对高速旋转构件进行超声研挤；同时给予不同种类的流量从小到大从缓到急冷的冷却液进行冷却，最终在关节球上加工出表面微织构。

本发明所施用的超声研挤工具相较于传统超塑性变形细晶方法加工单一棒料，丝材，板件，更适用于加工人工关节球表面等复杂型面加工；表面微织构制备方法是将超声振动切削纹理和微阵列压印的优点相结合,可以实现表面层组织状态和微织结构可控化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。