專利名稱：一種人工球關節加工機床及加工方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械技術領域，尤其涉及一種人工球關節加工機床及加工方法。
背景技術：
在生活中有許多領域需要高尺寸精度球形結構零件，如工業領域中球形閥門、醫療領域中的人工假體等，都會涉及到此類零件。此類零件的共同特征是都有部分為球體形狀的結構，且對球體部分的尺寸精度要求都比較高。實際上，要想加工出此類形狀的零件難度并不大，難的是球形部分的尺寸精度及表面質量很難保證。特別是在醫療領域中，對此類零件的球形部分的尺寸精度及表面質量要求極其嚴格，例如人工髖關節假體中包含多個部分含有球形結構的零件，如股骨頭、單極頭、雙極頭等。加工此類零件目前通常的做法是，首先利用車削對坯料進行粗加工，然后再精加工到設計尺寸。通常是以銑削的方式進行精加工，如常用的旋風銑，還有和旋風銑原理類似的加工中心數控機床。由于進行銑削加工時，首先要根據零件上球面部分直徑的大小來調整銑刀的回轉直徑，再根據球面部分的形狀來調整銑刀的角度，銑刀的自轉是由與動力系統相連的分度頭來進行驅動，且這種方式為單刃切削，因此這種加工方法不但生產效率低，且加工精度和表面粗糙度很難滿足使用要求。為了提高生產效率，曾經有的技術方案是增加銑刀數量，變為多個單刀的方法來提高切削加工效率。但是，變為多個單刀后，要將各個銑刀調整到合適的位置相當困難，大大增加了調整對刀的時間，這樣不但沒有提高效率，且使加工精度及表面粗糙度更加難以達到使用要求。另外還有類似原理的數控加工中心來進行加工，首先其生產效率及成品合格率，也不盡理想；其次由于加工設備價格昂貴，使得機床維護及零件的加工成本大大提高，從而降低了產品的競爭力。上述加工方法及其他部分加工方法中還有一共同存在的難題難以解決，就是球形零件上的球頂處的表面粗糙度很難達到使用要求，所有的表面粗糙度是由球形零件的球形回轉半徑最大處至球頂漸變，變得越來越差，也就是球形回轉半徑最大處相對最好，球頂處回轉半徑趨于零的位置相對最差。越靠近球頂此處總會有一高點或此處總會有一些切削加工紋路。這是回轉形加工件共同存在的問題，球形回轉零件球頂處尤為明顯。因為對于回轉形零件加工時，刀具切削時越靠近回轉形零件的回轉軸線，線速度越小，趨于零，切削效果越差。
發明內容
為了解決現有技術中生產效率低、加工精度及表面粗糙度低的問題，提出一種人工球關節加工機床及加工方法，能夠提高人工球關節加工效率，提供人工球關節的加工精度和表面質量。
本發明采用以下技術方案:一種人工球關節加工機床，包括床身和磨削系統，床身進一步包括主軸、卡盤和小刀板，卡盤安裝在主軸上，卡盤用于裝卡待加工的人工球關節，磨削系統安裝在小刀板上，磨削系統進一步包括磨削主軸、磨削卡具和筒形砂輪，磨削卡具安裝在磨削主軸上，磨削卡具用于裝卡筒形砂輪，主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線位于同一水平面，兩條連線之間的夾角為10度到80度。主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線之間的夾角為40度到60度。床身進一步還包括機床導軌、床鞍、軸向進給手輪、徑復導軌、徑復手動輪、徑復托板和小刀板進給調節手輪，床鞍位于機床導軌上，軸向進給手輪位于床鞍和機床導軌之間，軸向進給手輪用于控制床鞍在床身的軸向運動，徑復導軌固定在床鞍上，徑復托板位于徑復導軌上，徑復手動輪位于徑復導軌和徑復托板之間，徑復手動輪用于控制徑復托板在床身的徑向運動，小刀板進給調節手輪安裝在小刀板上，小刀板通過旋轉軸和鎖緊螺母安裝在徑復托板上，并圍繞旋轉軸旋轉。磨削系統進一步還包括磨削主軸安裝平臺、電機平臺支柱、電機安裝平臺、磨削驅動電機、磨削主軸皮帶輪、磨削驅動電機主軸皮帶輪和傳動皮帶，磨削主軸安裝平臺固定在小刀板上，磨削主軸安裝平臺用于安裝磨削主軸，電機安裝平臺通過電機平臺支柱固定在磨削主軸安裝平臺上方，磨削驅動電機安裝在電機安裝平臺上，磨削主軸皮帶輪位于磨削主軸上，磨削驅動電機主軸皮帶輪位于磨削驅動電機主軸上，磨削主軸皮帶輪與磨削驅動電機主軸皮帶輪之間通過傳動皮帶傳動。一種人工球關節加工方法，包括以下步驟:將待加工的人工球關節裝卡與卡盤上；將筒形砂輪裝卡在磨削卡具上；搖動軸向進給手輪,控制床鞍延著機床導軌軸向運動到預定位置；搖動徑復手動輪，控制徑復托板沿著徑復導軌徑向運動到預定位置；搖動小刀板進給調節手輪，旋轉小刀板到預定角度；啟動磨削驅動電機，帶動磨削主軸上的筒形砂輪旋轉，對待加工的人工球關節進行加工。旋轉小刀板到預定角度中，所述預定角度使得主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線之間的夾角為10度到80度。旋轉小刀板到預定角度中，所述預定角度使得主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線之間的夾角為40度到60度。根據待加工的人工球關節尺寸選擇筒形砂輪。采用了本發明的技術方案，具有以下技術效果:1、操作簡單、容易，與普通車床操作一樣。2、加工效率高。沒有復雜的調整對刀，只需更換不同的筒形砂輪，比車床更換刀具還要容易，裝上即可，不需要調整中心高等，本發明的機床經過試驗，進行人工球關節的精加工時，可以達到每八小時150件左右，進口加工中心為每八小時可加工30件左右。3、加工精度高，成品合格率高。本發明的機床加工的人工球關節的球面球度最低也可達≤0.01mm，通常均可達到≤0.005mm，完全滿足國家行業標準YY 0118-2005髖關節假體中的要求，廢品率極低。4、表面質量高，粗糙度均勻一致。因為本發明的機床采用中空的筒形砂輪作為切削刀具，自身進行回轉運動，待加工的人工球關節也做回轉運動，且兩者之間有一夾角，這樣能使加工球體表面粗糙度均勻一致，因這樣沒有線速度趨于零的情況發生，線速度能保持均勻一致。5、可以免去粗加工環節，直接由原材料開始進行加工，直接加工完成到設計尺寸，達到成品要求；也可以先用其他設備進行粗加工，用本發明的機床進行精加工。6、零件加工成本低，無過多附件成本。本發明的機床不需要特殊日常維護，維護維修與普通車床無異。
圖1是本發明具體實施方式
中人工球關節加工機床的結構示意圖。圖2是本發明具體實施方式
中人工球關節加工機床的局部示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖并通過具體實施方式
來進一步說明本發明的技術方案。圖1是本發明具體實施方式
中人工球關節加工機床的結構示意圖。如圖1所示，該人工球關節加工機床包括床身和磨削系統兩個部分。床身I進一步包括主軸2、卡盤3、小刀板進給調節手輪4、小刀板5、機床導軌9、床鞍10、軸向進給手輪7、徑復導軌11、徑復手動輪8和徑復托板12。卡盤安裝在主軸上,卡盤用于裝卡待加工的人工球關節6,床鞍位于機床導軌上，軸向進給手輪位于床鞍和機床導軌之間，軸向進給手輪用于控制床鞍在床身的軸向運動，徑復導軌固定在床鞍上，徑復托板位于徑復導軌上，徑復手動輪位于徑復導軌和徑復托板之間，徑復手動輪用于控制徑復托板在床身的徑向運動，小刀板通過旋轉軸和鎖緊螺母安裝在徑復托板上，并圍繞旋轉軸旋轉。磨削系統安裝在小刀板上，磨削系統進一步包括磨削主軸15、磨削卡具16、筒形砂輪17、磨削主軸安裝平臺13、電機平臺支柱18、電機安裝平臺20、磨削驅動電機22、磨削主軸皮帶輪14、磨削驅動電機主軸皮帶輪21和傳動皮帶19。磨削卡具安裝在磨削主軸上，磨削卡具用于裝卡筒形砂輪，磨削主軸安裝平臺固定在小刀板上，磨削主軸安裝平臺用于安裝磨削主軸，電機安裝平臺通過電機平臺支柱固定在磨削主軸安裝平臺上方，磨削驅動電機安裝在電機安裝平臺上，磨削主軸皮帶輪位于磨削主軸上，磨削驅動電機主軸皮帶輪位于磨削驅動電機主軸上，磨削主軸皮帶輪與磨削驅動電機主軸皮帶輪之間通過傳動皮帶傳動。圖2是本發明具體實施方式
中人工球關節加工機床的局部示意圖。如圖2所示，主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線位于同一水平面，兩條連線之間的夾角a為10度到80度，通常為40度到60度。使用該人工球關節加工機床加工人工球關節時，將待加工的人工球關節裝卡與卡盤上，并將筒形砂輪裝卡在磨削卡具上，搖動軸向進給手輪，控制床鞍延著機床導軌軸向運動到預定位置，搖動徑復手動輪，控制徑復托板沿著徑復導軌徑向運動到預定位置，搖動小刀板進給調節手輪，旋轉小刀板到預定角度，啟動磨削驅動電機，帶動磨削主軸上的筒形砂輪旋轉，對待加工的人工球關節進行加工。下面詳細描述該人工球關節加工機床的使用方法。該人工球關節加工機床是在與普通車床類似的小刀板部位，按要求安裝上特制的磨削系統。磨削系統中磨削驅動電機驅動磨削主軸回轉，磨削主軸上裝有磨削卡具，磨削卡具上安裝筒形砂輪(切削刀具)，磨削主軸帶動筒形砂輪回轉進行切削。重點是安裝磨削系統時確保磨削主軸及筒形砂輪的中心與機床主軸及待加工的人工球關節的中心高度相等(在平行于機床導軌的同一高度的同一平面內)；且磨削主軸及筒形砂輪的中心與機床主軸及待加工的人工球關節的中心有一個夾角a(在平行于機床導軌的同一高度的同一平面內相交)，該夾角最常用選擇40° 60°，根據不同球體球面大小，以及切削刀具情況進行選擇，通過扳動小刀板進行調整，可以取的范圍10° 80°之間，S卩10°彡a彡80°。此夾角與中空的旋轉筒形砂 輪配合，使各處線速度都均勻一致，沒有線速度趨于零的情況發生，從而就使球體表面粗糙度均勻一致，不會有高點及切削加工紋路出現。小刀板安裝于徑復托板上，與徑復托板之間有一旋轉軸，小刀板可繞此軸做平面旋轉，上有一鎖緊螺母鎖定旋轉位置。磨削系統固定于小刀板上，所以調整小刀板與待加工的人工球關節間的角度，即為調整磨削主軸與機床主軸之間夾角。扳動小刀板調整磨削主軸與機床主軸之間的角度的方法與普通機床一樣，松開小刀板與徑復托板之間的鎖緊螺母，扳動小刀板平面旋轉至合適角度即可，然后擰緊鎖緊螺母將小刀板位置固定。徑復托板的徑向位置可以通過搖動徑復手動輪使徑復托板延徑復導軌前后運動來改變，從而改變小刀板及磨削系統的徑向位置，也就是通過調節徑復手動輪來改變磨削主軸在機床上的徑向位置。徑復導軌固定于床鞍上，搖動軸向進給手輪，使床鞍延機床導軌軸向運動，來改變床鞍在機床導軌上的位置，因磨削系統、小刀板、徑復托板及徑復導軌都在床鞍上，所以也就是通過調節軸向進給手輪來改變磨削主軸在機床上的軸向位置。上述位置調整操作均與普通機床一致，不同的是，在加工時普通機床通過調整軸向進給手輪來完成對工件軸向切削，即改變工件的長短，通過調整徑復手動輪來完成對工件徑向切削，即改變工件的端面及粗細。本機床在加工時，調整軸向進給手輪使磨削主軸至機床軸向合適位置，調整徑復手動輪是磨削主軸至機床徑向合適位置，調整小刀板進給調節手輪使磨削主軸延事先扳好的角度(磨削主軸與機 床主軸之家夾角)方向前后運動，來完成對待加工的人工球關節的切削。由于筒形砂輪的形狀及進給方向是延夾角的方向，所以這種切削使待加工的人工球關節的軸向及徑向同時被進行切削，從而加工出來的表面即為球面，所以本機床只需通過調整小刀板進給調節手輪來控制所加工球體直徑大小。機床主軸上機床卡盤裝卡待加工的人工球關節，帶動待加工的人工球關節回轉，磨削主軸裝卡筒形砂輪(切削刀具)，帶動筒形砂輪回轉。筒形砂輪為本機床的切削刀具，其形狀為中空圓柱筒形。在工作時，磨削主軸與機床主軸有一個夾角，因為砂輪為中空筒形，且做回轉運動，由砂輪內孔去切削回轉中的待加工的人工球關節，待加工的人工球關節被切削部位會自然形成球面，從而達到加工球體的需要，且可根據待加工的人工球關節的大小來選擇筒形砂輪的大小，就能達到加工不同大小范圍的球體需要。將待加工的人工球關節裝卡于機床卡盤上，并鎖緊，將筒形砂輪(切削刀具)安裝于磨削卡具，并鎖緊，搖動軸向進給手輪調整床鞍使磨削主軸至機床軸向合適位置，調整徑復手動輪使磨削主軸至機床徑向合適位置，調整小刀板至合適角度(磨削主軸及筒形砂輪的中心與機床主軸及待加工的人工球關節中心的夾角a)進行加工，加工時只需要通過調整小刀板進給調節手輪，來控制對待加工的人工球關節切削量的大小，即球體的外徑大小。另外最方便的是也可以將床鞍固定，將徑復托板位置固定，將小刀板角度位置固定，配合不同的工裝卡具就可以完成對不同大小尺寸的有部分球形結構的待加工的人工球關節的加工，只需要更換不同尺寸的筒形砂輪即可，無需經常調整刀具與待加工的人工球關節之間的角度、徑復托板及床鞍的位置。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種人工球關節加工機床，其特征在于，包括床身和磨削系統，床身進一步包括主軸、卡盤和小刀板，卡盤安裝在主軸上，卡盤用于裝卡待加工的人工球關節，磨削系統安裝在小刀板上，磨削系統進一步包括磨削主軸、磨削卡具和筒形砂輪，磨削卡具安裝在磨削主軸上，磨削卡具用于裝卡筒形砂輪，主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線位于同一水平面，兩條連線之間的夾角為10度到80度。
2.根據權利要求1所述的一種人工球關節加工機床,其特征在于,主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線之間的夾角為40度到60度。
3.根據權利要求1所述的一種人工球關節加工機床，其特征在于，床身進一步還包括機床導軌、床鞍、軸向進給手輪、徑復導軌、徑復手動輪、徑復托板和小刀板進給調節手輪，床鞍位于機床導軌上，軸向進給手輪位于床鞍和機床導軌之間，軸向進給手輪用于控制床鞍在床身的軸向運動，徑復導軌固定在床鞍上，徑復托板位于徑復導軌上，徑復手動輪位于徑復導軌和徑復托板之間，徑復手動輪用于控制徑復托板在床身的徑向運動，小刀板進給調節手輪安裝在小刀板上，小刀板通過旋轉軸和鎖緊螺母安裝在徑復托板上，并圍繞旋轉軸旋轉。
4.根據權利要求1-3中任一權利要求所述的一種人工球關節加工機床，其特征在于，磨削系統進一步還包括磨削主軸安裝平臺、電機平臺支柱、電機安裝平臺、磨削驅動電機、磨削主軸皮帶輪、磨削驅動電機主軸皮帶輪和傳動皮帶，磨削主軸安裝平臺固定在小刀板上，磨削主軸安裝平臺用于安裝磨削主軸，電機安裝平臺通過電機平臺支柱固定在磨削主軸安裝平臺上方，磨削驅動電機安裝在電機安裝平臺上，磨削主軸皮帶輪位于磨削主軸上，磨削驅動電機主軸皮帶輪位于磨削驅動電機主軸上，磨削主軸皮帶輪與磨削驅動電機主軸皮帶輪之間通過傳動皮帶傳動。
5.一種人工球關節加工方法，其特征在于，包括以下步驟: 將待加工的人工球關節裝卡與卡盤上； 將筒形砂輪裝卡在磨削卡具上； 搖動軸向進給手輪，控制床鞍延著機床導軌軸向運動到預定位置； 搖動徑復手動輪，控制徑復托板沿著徑復導軌徑向運動到預定位置； 搖動小刀板進給調節手輪，旋轉小刀板到預定角度； 啟動磨削驅動電機，帶動磨削主軸上的筒形砂輪旋轉，對待加工的人工球關節進行加工。
6.根據權利要求5所述的一種人工球關節加工方法，其特征在于，旋轉小刀板到預定角度中，所述預定角度使得主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線之間的夾角為10度到80度。
7.根據權利要求6所述的一種人工球關節加工方法，其特征在于，旋轉小刀板到預定角度中，所述預定角度使得主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線之間的夾角為40度到60度。
8.根據權利要求5所述的一種人工球關節加工方法，其特征在于，根據待加工的人工球關節尺寸選擇筒形砂輪。
全文摘要
本發明公開了一種人工球關節加工機床及加工方法，包括床身和磨削系統，床身進一步包括主軸、卡盤和小刀板，卡盤安裝在主軸上，卡盤用于裝卡待加工的人工球關節，磨削系統安裝在小刀板上，磨削系統進一步包括磨削主軸、磨削卡具和筒形砂輪，磨削卡具安裝在磨削主軸上，磨削卡具用于裝卡筒形砂輪，主軸中心和待加工的人工球關節中心的連線與磨削主軸中心和筒形砂輪中心的連線位于同一水平面，兩條連線之間的夾角為10度到80度。采用了本發明的技術方案，能夠提高人工球關節加工效率，提供人工球關節的加工精度和表面質量。
文檔編號B24B11/04GK103100944SQ201210202159
公開日2013年5月15日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者曹群, 王宿, 劉文山, 劉慶明 申請人:曹群