[实用新型]钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种机械加工磁流变抛光装置，具体的为一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置。

背景技术

钛合金人工膝关节是一种具有关节功能的器官。由于战争、疾病、工伤、交通事故、意外伤害及人口老化等原因，致使数以百万的人体关节受损，导致疼痛、活动受限和失稳。在我国，大约有3000万人需要进行钛合金人工膝关节植入，其中进口产品市场约占1/4,主要用户在大中型医院，而国产产品的主要用户是经济相对落后地区的医院。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，预计钛合金人工膝关节的需求将会不断扩大，年增长约为25%。钛合金是最早应用于人工膝关节制造的一种材料，至今仍在临床上有着广泛的应用，其中钛及钛合金由于具有较好的强度、耐蚀性及生物相容性而成为有代表性的组织工程材料之一，占据大部分的关节假体市场。

钛合金一般按退火组织分为α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金三类。

钛是同素异构体，在温度低于882℃时呈密排六方品格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方晶格结构，称之为β钛。钛合金各种牌号是在钛的两种不同结构组织中添加不同种类和数量的合金元素而成。α型钛合金的牌号有TA1～TA8。β型钛合金有TB1、TB2、α＋β型钛合金有TC1～TC10。

钛合金材料具有如下机械性能：

(1)比强度高，常用α＋β钛合金的强度σ_b=1.03～1.2GPa（103～120kg/mm²），密度ρ=4.4g/cm³，比强度σ_b/ρ=23～27；而合金钢的σ_b=1.3～1.6GPa，密度ρ=7.9g/cm³，比强度σ_b/ρ=16～20；

(2)耐热性高，其工作温度可达500℃，在300～350℃温度下钛合金的强度比铝合金高10倍。

(3)抗腐蚀性好，在海水及海洋大气中的抗腐蚀性很高。

(4）钛的热导率小，为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/16。钛合金的热导率更低，约为钛的1/2。TC4的热导率λ=7.955W/(m·K)。

(5)化学活性大，能与大气中氢、氧、氮等起化合作用，开始强烈的吸收氢、氧、氮的温度分别为300℃，500℃和600℃，这些元素与钛合金表面作用以后，形成了硬脆表层，深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%；

(6)弹性模量小，钛的弹性模量E=108GPa，钛合金的弹性模量要低于纯钛，约为钢的55%，故钛合金易产生弹性变形。目前钛合金多用于磨削加工的方法来获得所需要的表面质量、光整精度以及表面完整性的要求。

钛合金的磨削加工特点如下：

（1）磨削力大磨削钛合金时，和一般磨削规律一样，径向力大于切向力。钛合金强度高，磨削过程中变形剧烈，砂轮粘附严重，故在相同条件磨削TC9的径向分力约比45钢大4倍，切向分力大80%左右。

（2）磨削温度高钛合金磨削时滑擦过程所占比重大，时常形成挤裂切屑，摩擦严重，急剧的弹性、塑性变形产生大量的磨削热，致使磨削区的温度很高，而钛合金的热导率仅为碳钢的1/5，使热量不易散发，在相同条件下，磨削TC9的磨削温度为45钢的1.5~2倍，最高时可达1000℃。

（3）易产生烧伤裂纹由于磨削温度高，在磨削表面产生较大的热应力，不仅容易发生磨削烧伤，并出现磨削微裂纹。这些微裂纹呈发纹状，其方向大致与磨削方向垂直，磨削表面呈现黄褐色色斑。由于磨削热的影响，工件表面产生残余拉应力，使零件疲劳强度降低，影响零件的使用寿命。

（4）砂轮粘附严重且易磨损失效钛合金在高温化学活性高，在高温下易与空气中的氧、氮等元素发生化学反应形成硬度很高的硬化层和脆化层，加快砂轮的磨损；此外，磨削区的局部高温、高压作用，使磨粒与金属表面发生粘附。而高温下钛合金与磨粒化学元素的相互扩散又造成扩散磨损，从而加速了砂轮的磨损过程。观察磨削后的砂轮，钛呈云雾分布，几乎看不到砂轮磨粒。

（5）表面质量不易保证钛合金磨削时，工件表面易产生有害的残余拉应力和表面污染层，表面粗糙度数值较大。磨后表面残余拉应力数值大小随磨削用量的加大而增大，磨削速度是残余拉应力的主要影响因素。

（6）生产效率低钛合金磨削时，砂轮易磨损钝化、粘附堵塞，导致磨削比很低。因此，在保证所要求的零件加工精度的条件下，很难获得较高的生产率。相同条件下，磨削TC4的磨削比只有1.53，而45钢为71.5，约为45钢的1/47。