醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光的制造方法
【專利摘要】本發明公開了醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，能夠有效解決現有加工設備無法滿足鈦合金微小零件的高精度要求的問題。醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，包括支架、設置在支架上的升降機構、設置在升降機構上與支架豎直滑動連接的超聲波振動器、設置在超聲波振動器上的磁流變液容器、設置在磁流變液容器上的至少一塊永磁鐵、設置在支架上部夾持待加工零件在磁流變液中做公自轉運動的動力機構。本發明的優點是：通過磁流變液、工件公自轉與超聲振動共同作用同步實現醫用鈦合金微小件拋光，克服了現有拋光方法的不足和應用局限性，提高了拋光效率，系統構成及控制方法簡單。
【專利說明】醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機。
【背景技術】
[0002]目前常用的拋光工藝有:電化學拋光、電解拋光、超聲波拋光等，能有效的解決鈦合金工件表面拋光難的問題，但它們卻各自有著難以解決的技術缺點和不足。電化學拋光與電解拋光不受工件材料硬度和韌性的限制，但不易獲得較高的加工精度，且加工時雜散腐蝕現象較嚴重。超聲波拋光適合拋光各種硬脆材料，且拋光質量高，表面粗糙度可達Ra0.63?0.08 μ m，但超聲波拋光只能用于加工非導電材料，而且受超聲振幅和功率的限制，超聲波拋光僅適于窄槽圓角、棱角等局部加工，大面積的拋光效率較低。
[0003]磁流變液是將微米尺寸的磁性顆粒分散于絕緣載液中形成的具有可控流變行為的懸浮液體，其流變特性隨外加磁場變化而變化。磁流變液在未加磁場時流變特性與普通牛頓流體相似，當受到一定強度磁場作用時，在磁場的作用下能產生明顯的磁流變效應，其表觀粘度系數增加兩個數量級以上，會變成類似“固體”的狀態，一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體。在磁場作用下的磁流變效應，使磁流變液體在液態和固態之間發生轉換，具有可逆、可控、反應迅速的優點。磁流變液的剪切屈服應力比電流變液大一個數量級，而且磁流變液具有良好的動力學和溫度穩定性，因此，與電流變液相比，應用范圍更廣范。
[0004]1992年白俄羅斯的Kordonski等人最早將磁流變技術應用于光學加工。1995年美國羅切斯特大學光學制造中心和Kordonski合作，將磁流變拋光技術應用到光學加工中，使熔石英球面元件表面粗糙度降低到0.Snm(RMS)，面形誤差0.09 μ m,BK7非球面光學元件表面粗糙度降低到Inm(RMS)面形誤差0.86 μ m。Kordonsk等人還將射流拋光技術與磁流變拋光技術相結合，發明了一種新的拋光方法，磁流變射流拋光，這種加工方式可以有效解決深凹面或內腔的拋光加工。
[0005]我國近年來對磁流變拋光技術也進行了研究，長春光學精密機械研究所等單位對磁流變拋光理論進行了探討，研制了磁流變拋光設備，同時他們還和復旦大學合作研制出油基磁流變液，進行了磁流變拋光實驗。哈爾濱工業大學研制了適合于磁流變拋光的水基磁流變液，在自制的磁流變拋光實驗樣機上，對光學玻璃、微晶玻璃等材料進行了拋光實驗，初步研究了各拋光參數的影響，研究了拋光去除特性和面形控制技術。清華大學、國防科技大學研制了磁流變拋光設備。但這些都停留在實驗研究階段，尚未得到實際應用。
[0006]目前對鈦合金的拋光法的研究，西北有色金屬研究院自主設計開發出來一種新型醫用β型鈦合金，并對生物醫用TLM鈦合金毛細管的電化學拋光進行了研究。北京航空航天大學研究了鈦合金的環保電化學拋光工藝。大連大學在電解拋光鈦合金植入物的過程中引入功率超聲波，研究并分析了功率超聲波對電解拋光過程的作用及對拋光效果的影響。以上這些鈦合金拋光法目前還在理論研究階段，還沒有在生產實踐中得到大規模的應用。
[0007]雖然目前有一些可用于醫用鈦合金(如接骨板和接骨螺釘等)的傳統拋光方法，但很難達到要求的加工效果，而且效率較低。一方面由于拋光區域的尺寸較小，這就要求拋光工具的尺寸也要相應減小，微型拋光工具的制造有一定困難，而且將拋光區域限制在很小的范圍內在技術上也存在難度；另一方面，將盡可能多的游離磨料盡可能長時間地聚集在加工區域對提高拋光效率是極其重要的，然而由于拋光區域較小，游離磨料難以高密度地、長時間地局部集中在拋光工具和非球面的較小接觸區域，因此很難達到預期的研拋加工效果。另外，還必須克服拋光中工具的磨損，提高拋光工具與非球面區域的貼覆性或柔順性，以獲得高質量的拋光表面。
[0008]要滿足醫用鈦合金微小零件的高精度要求，并在此基礎上力求提高拋光加工效率柔順性，就必須在完善傳統的精密加工方法的同時，尋找采用新原理的鈦合金加工方法。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于提供醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，能夠有效解決現有加工設備無法滿足鈦合金微小零件的高精度要求的問題。
[0010]為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的:醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，包括支架、設置在支架上的升降機構、設置在升降機構上與支架豎直滑動連接的超聲波振動器、設置在超聲波振動器上的磁流變液容器、設置在磁流變液容器上的至少一塊永磁鐵、設置在支架上部夾持待加工零件在磁流變液中做公自轉運動的動力機構。
[0011]優選的，所述動力機構包括固定在支架頂部的調速電機、通過中軸與支架頂部轉動連接的公轉盤，所述公轉盤與調速電機之間通過皮帶傳動，所述公轉盤上方的中軸上還套有太陽齒輪，所述太陽齒輪旁均布有至少兩個行星齒輪，所述公轉盤上開有與行星齒輪的輪軸相適配的通孔，所述行星齒輪的輪軸向下穿過公轉盤，所述行星齒輪的輪軸與公轉盤的通孔之間設有滾動軸承，所述行星齒輪的輪軸下端設有夾持待加工零件的工件夾具；通過行星齒輪組件實現待加工零件的公轉和自傳，本機構結構簡單，可靠性高。
[0012]優選的，所述磁流變液容器為頂部開口空心圓柱形，所述磁流變液容器底部設有向外的凸邊，所述超聲波振動器頂部設有與磁流變液容器底部接觸的振動柱，所述磁流變液容器通過夾緊組件固定在超聲波振動器上；
[0013]所述夾緊組件包括上盤體和下盤體，所述上盤體為中部開有與磁流變液容器相適配的上中心孔，所述上中心孔旁的上盤體上設有向上空心的上固定柱，所述上固定柱通過螺栓與磁流變液容器側壁固定連接；
[0014]所述下盤體的中部開有與超聲波振動器的振動柱相適配的下中心孔，所述下中心孔旁的下盤體上設有向下空心的下固定柱，所述下固定柱通過螺栓與振動柱固定連接；
[0015]所述上盤體、磁流變液的凸邊、下盤體通過螺栓固定連接；能將磁流變液容器與超聲波振動器緊密的連接在一起，確保振動效果。
[0016]優選的，所述超聲波振動器固定在導軌盤上，所述支架上設有四個穿過導軌盤的導柱，所述導軌盤與導柱之間設有直線軸承；便于超聲波振動器和磁流變液容器上下運動到合適的位置。
[0017]優選的，所述升降機構為手動液壓千斤頂；方便控制，節約制造成本。
[0018]與現有技術相比，本發明的優點是:(I)通過磁流變液、工件公自轉與超聲振動共同作用同步實現醫用鈦合金微小件拋光，克服了現有拋光方法的不足和應用局限性，提高了拋光效率；
[0019](2)將磁流變液和超聲振動相結合，系統構成及控制方法簡單，可解決復雜自由曲面鈦合金成型小零件的表面光整加工問題；
[0020](3)超聲振動磁流變公自轉復合拋光機磁場強度大、拋光去除率大，結構控制簡單，加工方便，拋光效率高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機中磁流變液容器與超聲波振動器連接的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]參閱圖1為本發明醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機的實施例，醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，包括支架1、設置在支架I上的手動液壓千斤頂2、設置在手動液壓千斤頂2上與支架I豎直滑動連接的超聲波振動器3、設置在超聲波振動器3上的磁流變液容器4、設置在磁流變液容器4上的均勻分布的四塊永磁鐵5、設置在支架上部夾持待加工零件在磁流變液中做公自轉運動的動力機構。
[0024]所述動力機構包括固定在支架頂部的調速電機6、通過中軸7與支架頂部轉動連接的公轉盤8，所述公轉盤8與調速電機6之間通過皮帶傳動，所述公轉盤8上方的中軸7上還套有太陽齒輪9，所述太陽齒輪旁均布有至少兩個行星齒輪10，所述公轉盤8上開有與行星齒輪10的輪軸相適配的通孔，所述行星齒輪10的輪軸向下穿過公轉盤8，所述行星齒輪10的輪軸與公轉盤8的通孔之間設有滾動軸承11，所述行星齒輪10的輪軸下端設有夾持待加工零件的工件夾具12。
[0025]所述超聲波振動器3固定在導軌盤19上，所述支架I上設有四個穿過導軌盤19的導柱20，所述導軌盤19與導柱20之間設有直線軸承。
[0026]如圖2所示，所述磁流變液容器4為頂部開口空心圓柱形，所述磁流變液容器4底部設有向外的凸邊13，所述超聲波振動器3頂部設有與磁流變液容器4底部接觸的振動柱14，所述磁流變液容器4通過夾緊組件固定在超聲波振動器3上；
[0027]所述夾緊組件包括上盤體15和下盤體16，所述上盤體15為中部開有與磁流變液容器4相適配的上中心孔，所述上中心孔旁的上盤體15上設有向上空心的上固定柱17，所述上固定柱17通過螺栓與磁流變液容器4側壁固定連接；
[0028]所述下盤體16的中部開有與超聲波振動器3的振動柱14相適配的下中心孔，所述下中心孔旁的下盤體16上設有向下空心的下固定柱18，所述下固定柱18通過螺栓與振動柱14固定連接；
[0029]所述上盤體15、磁流變液的凸邊13、下盤體16通過螺栓固定連接。
[0030]本裝置中，永磁鐵使磁流變液形成間隔狀的毛刷，先將待加工醫用鈦合金微小件固定在工件夾具上，然后操作手動液壓千斤頂使磁流變液容器升起，使醫用鈦合金微小件全部浸入磁流變液中，啟動調速電機，調速電機通過皮帶帶動公轉盤轉動，公轉盤使行星齒輪轉動，此時行星齒輪除了繞太陽輪轉動其自身也在自傳，使得下部的醫用鈦合金微小件也在進行公轉和自傳，同時施加超聲振動，使得鏈狀毛刷與工件表面充分接觸，可使工件表面拋光均勻，且拋光效率高，工作時采用永磁式環形間隔永磁體，可形成交替的“柔性研磨層”，保證了拋光的穩定性。
[0031]我們利用兩組工件做實驗，本項目組對此次實驗采用以下步驟進行實驗:
[0032](I)將升降裝置降至最低位置，在拋光容器中加入500ml磁流變液，在容器外圍和內圈各貼上4塊強力永磁鐵；
[0033](2)利用夾具將鈦合金工件固定在工件軸上，然后將升降裝置升高到某一位置，使工件完全浸沒在磁流變拋光裝置加工區域的磁流變液中；
[0034](3)起動電機和超聲振動器，按照需要調節電機主軸轉速和加工時間；
[0035](4)待機器停止后5分鐘，將升降裝置降至最低位置，取出工件，清洗后干燥保存，進行檢測，并記錄相關數據；
[0036](5)整理試驗臺。
[0037]第一工件拋光加工前的表面粗糙度值Ra最大值為0.254 μ m,經過三次類似加工后，其表面粗糙度值Ra最小可加工至0.016 μ m ;第二工件拋光加工前的表面粗糙度值Ra最大值為0.294 μ m,經過三次類似加工后，其表面粗糙度值Ra最小可加工至0.019 μ m。從實驗獲得的數據可看出，醫用鈦合金微小件經過拋光加工后，其表面表面粗糙度值Ra有了明顯改善。
[0038]以上所述僅為本發明的具體實施例，但本發明的技術特征并不局限于此，任何本領域的技術人員在本發明的領域內，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發明的專利范圍之中。
【權利要求】
1.醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，其特征在于:包括支架(1)、設置在支架(1)上的升降機構、設置在升降機構上與支架(1)豎直滑動連接的超聲波振動器(3)、設置在超聲波振動器(3)上的磁流變液容器(4)、設置在磁流變液容器(4)上的至少一塊永磁鐵(5)、設置在支架上部夾持待加工零件在磁流變液中做公自轉運動的動力機構。
2.如權利要求1所述的醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，其特征在于:所述動力機構包括固定在支架頂部的調速電機(6)、通過中軸(7)與支架頂部轉動連接的公轉盤(8)，所述公轉盤⑶與調速電機(6)之間通過皮帶傳動，所述公轉盤⑶上方的中軸(7)上還套有太陽齒輪(9)，所述太陽齒輪旁均布有至少兩個行星齒輪(10)，所述公轉盤(8)上開有與行星齒輪(10)的輪軸相適配的通孔，所述行星齒輪(10)的輪軸向下穿過公轉盤(8)，所述行星齒輪(10)的輪軸與公轉盤(8)的通孔之間設有滾動軸承(11)，所述行星齒輪(10)的輪軸下端設有夾持待加工零件的工件夾具(12)。
3.如權利要求1所述的醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，其特征在于:所述磁流變液容器(4)為頂部開口空心圓柱形，所述磁流變液容器(4)底部設有向外的凸邊(13)，所述超聲波振動器(3)頂部設有與磁流變液容器(4)底部接觸的振動柱(14)，所述磁流變液容器(4)通過夾緊組件固定在超聲波振動器(3)上； 所述夾緊組件包括上盤體(15)和下盤體(16)，所述上盤體(15)為中部開有與磁流變液容器(4)相適配的上中心孔，所述上中心孔旁的上盤體(15)上設有向上空心的上固定柱(17)，所述上固定柱(17)通過螺栓與磁流變液容器(4)側壁固定連接； 所述下盤體(16)的中部開有與超聲波振動器(3)的振動柱(14)相適配的下中心孔，所述下中心孔旁的下盤體(16)`上設有向下空心的下固定柱(18)，所述下固定柱(18)通過螺栓與振動柱(14)固定連接； 所述上盤體(15)、磁流變液的凸邊(13)、下盤體(16)通過螺栓固定連接。
4.如權利要求1所述的醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，其特征在于:所述超聲波振動器(3)固定在導軌盤(19)上，所述支架(1)上設有四個穿過導軌盤(19)的導柱(20)，所述導軌盤(19)與導柱(20)之間設有直線軸承。
5.如權利要求1所述的醫用鈦合金微小件超聲波磁流變復合拋光機，其特征在于:所述升降機構為手動液壓千斤頂(2)。
【文檔編號】B24B1/04GK103522129SQ201310467456
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月28日 優先權日:2013年9月28日
【發明者】王鴻云, 方明, 趙浩興, 翁艷, 許志強 申請人:浙江科惠醫療器械有限公司