一种人工关节复杂曲面固液二相软性磨粒流湍流加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超光滑精密加工领域，更具体的说，涉及一种人工关节复杂曲面 固液二相软性磨粒流湍流加工方法。
【背景技术】
[0002] 人工关节是一种具有关节功能的器官，随着科学技术的发展和人民生活水平的提 高，人工关节的需求将不断扩大。
[0003] 经过成型烧结后的钛合金人工关节假体并不能直接适用于人体内部，还需要经过 一系列的研磨、抛光等后续工艺处理，最终获得平滑、均匀、高质量表面并与人体骨头配合 良好的人工关节。人工关节表面的光整程度对其功能和使用寿命有着至关重要的影响。钛 合金以其高强度低模量的特性在人工关节设计中广泛被采用，但钛合金的表面光整加工中 存在切削加工性差、导热系数低等缺陷，且人工关节表面多为复杂曲面，采用传统抛光方法 难以对一些表面进行有效加工，现今，人工关节抛光主要由手工操作，抛光效率低且抛光质 量难以稳定。
[0004] 固液二相软性磨粒流是指具有较弱粘性的磨粒流，因此具有更好的流动特性并可 实现湍流流动。软性磨粒流加工是一种微力微量的特种光整加工方法，主要是利用软性磨 粒流的湍流状态对工件进行无序且激烈的碰撞，达到加工效果，这种光整加工方法可对小 孔、缝隙、管道内壁、异形曲面等复杂的表面，硅、钛、镍、钨合金及陶瓷等硬脆材料进行有效 地光整加工。
[0005] 在对的人工关节复杂曲面进行加工时，我们通常采用与人工关节复杂曲面形状一 致的曲面与人工关节加工表面形成仿形流道，在仿形流道内通入固液二相软性磨粒流，利 用其形成的湍流进行加工的，但是，复杂曲面仿形流道内的压力分布往往并不均匀，因此容 易导致整个复杂加工曲面工件表面的加工均匀性并不理想。针对这种情况，需要对流道内 压力较弱的位置进行压力补强，使得软性磨粒流流体在整个仿形流道内的压力分布均匀， 从而提高被加工工件整体的加工质量和均匀性。由于目前的仿形流道的间隙各处均相等， 若要改变压力分布不均匀的情况，需要建立一个仿形流道的间隙不规则的流道模型，加大 压力较大处的流道间隙，减小压力较小出的流道间隙。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于解决现有软性磨粒流仿形加工过程中压力分布不均匀导致整 个复杂曲面工件表面的加工均匀性不理想的问题，提出了一种人工关节复杂曲面固液二相 软性磨粒流湍流加工方法。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种人工关节复杂曲面固液二相软性 磨粒流湍流加工方法，包括如下步骤：
[0008] 1)建立人工关节需要加工的复杂曲面的数学模型，该复杂曲面的表面形状可以简 化为由三段圆弧组成，该数学模型中第一圆心、第二圆心、第三圆心分别为三段圆弧的圆心 位置，三个圆心的坐标分别为（Xl，yi)，（x2，y2)和（x3，y3)，该数学模型的数学表达式为：
【主权项】
1. 一种人工关节复杂曲面固液二相软性磨粒流湍流加工方法，包括如下步骤： 1) 建立人工关节需要加工的复杂曲面的数学模型，该复杂曲面的表面形状可以简化 为由三段圆弧组成，该数学模型中第一圆心、第二圆心、第三圆心分别为三段圆弧的圆心位 置，三个圆心的坐标分别为（Xl，yi)，（x2，y2)和（x3，y3)，该数学模型的数学表达式为：
式中：Pi、pJPP3分别为第一圆弧、第二圆弧和第三圆弧的曲率，单位为mm'xa、xb分别为第一圆弧和第二圆弧、第二圆弧和第三圆弧的连接点；1为复杂曲面的长度，单位 为mm; 此外，
的解，同理：x#
的解； 2) 根据上述数学模型进行约束式仿形流道内的压力数值仿真；将整个流道分成流道 区域A、流道区域B和流道区域C三个流道区域，流道区域A中的平均间隙为dl(0〈x〈xa)， 流道区域B中平均间隙为d2 (xa<x<xb)，流道区域C中平均间隙为d3 (xb〈x〈l)，流道 入口的压力为P，在出入口处存在压力的堆积效应，且入口处的压力堆积效应要大于出口的 压力堆积效应，设流道入口附近、即流道区域A的压力堆积效应的压力增益系数为aA，流道 出口附近、即流道区域C的压力堆积效应的压力增益系数为ac，且aA>ac，a4和a。均 大于1;;压力在曲率变化处，即xa，xb点均有损失，损失系数为exa和exb，该系数与曲率 有关，且exa和exb均大于〇,小于1;由于流道的流程很短，故流程对压力的影响几乎可以 忽略；流道的间隙对压力的分布至关重要，由于是间隙不规则的仿形流道，并把流道分为三 个区域，把流道间隙对压力分布影响同样取为三个系数，这三个系数反比于流道平均间隙， 三个系数分别为Qdl，Qd2和0 &，故压力数值分为三段表不：
上式即为流道内压力数值的求解公式； 3) 根据步骤2中的数值仿真结果和加工效果来分析在流道曲率、流程和入口压力的参 数不变的情况下，计算出保证流道内压力分布均匀和加工均匀性良好的流道间隙要求，并 根据该流道间隙要求设计实际生产需要的由约束工件和人工关节复杂曲面组成的约束式 仿形流道； 4) 利用设计出的约束式仿形流道对人工关节复杂曲面进行加工。
【专利摘要】本发明公开了一种人工关节复杂曲面固液二相软性磨粒流湍流加工方法，建立人工关节需要加工的复杂曲面的数学模型，根据上述数学模型进行约束式仿形流道内的压力数值仿真；根据数值仿真结果和加工效果来分析在流道曲率、流程和入口压力的参数不变的情况下，计算出保证流道内压力分布均匀和加工均匀性良好的流道间隙要求，并根据该流道间隙要求设计实际生产需要的由约束工件和人工关节复杂曲面组成的约束式仿形流道；本发明通过针对具有复杂曲面的人工关节进行仿真分析，提出了一种可行性较强、且自动高效的光整加工方案。
【IPC分类】G06F19-00, B24C1-00
【公开号】CN104690649
【申请号】CN201510076926
【发明人】张利, 计时鸣, 文东辉, 朴钟宇, 戴勇, 单晓杭, 张瑞, 王金顺
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月13日