一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法与流程

技术特征：

1.一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在类人工关节件外套装玻璃约束构件，玻璃约束构件的内表面与类人工关节件的曲面表面形成厚度均匀的仿形流道，玻璃约束构件由壁厚相同的玻璃材料制成，玻璃约束构件的两端分别设有仿形流道入口和仿形流道出口，类人工关节件的被加工曲面成为仿形流道壁面的一部分，由仿形流道入口向仿形流道内通入磨粒流，使磨粒流以湍流状态进入仿形流道中，通过磨粒流中磨粒的无序运动来实现类人工关节件表面的加工；

2)建立仿形流道内磨粒流的湍动能h与湍流强度I的关系式，其计算公式为：

$h=\frac{3}{2}{\left(uI\right)}^2,$

式中，u为磨粒流的平均速度，I为磨粒流的湍流强度，其中磨粒流的湍流强度I的计算公式为：

$I=0.16{R_e}^{-\frac{1}{8}},$

式中，Re为磨粒流的雷诺系数，Re的计算公式为：

$R_e=\frac{\mathrm{\ρ}ud}{\mathrm{\μ}},$

式中，ρ为磨粒流的密度，d为水力直径，μ为磨粒流的粘度，μ的计算公式为如下：

$\mathrm{\μ}=\frac{0.01779}{1+0.03368t+0.0002110t^2},$

式中，t为磨粒流的温度；

将雷诺系数Re的计算公式和粘度μ的计算公式代入湍流强度I的计算公式中，得到湍流强度I的公式计算如下：

$I=0.09669\mathrm{\ρ}ud{(1+0.03368t+0.0002110t^2)}^{-\frac{1}{8}},$

将湍流强度I的公式代入湍动能h的公式中，得到湍动能的计算公式如下：

$h=0.01402u^4{\mathrm{\ρ}}^2{d}^2{(1+0.03368t+0.002110t^2)}^{-\frac{1}{4}};$

3)建立磨粒流的动能损失公式，磨粒流的动能损失包括湍动能的沿程损失和局部损失；

湍动能的沿程损失为需要克服摩擦阻力而损耗的湍动能，此摩擦阻力主要是流体与管壁及流体本身的内部摩擦组成；沿程损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比，采用达西一维斯巴赫公式计算，因此磨粒流湍流动能的沿程损失h₁的计算公式为：

$h_l=\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{lu}}^2}{R8g},$

式中，R—非圆管的水力半径；λ为阻力系数，λ的计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{0.316}{{R_e}^{0.25}},$

湍动能的局部损失为磨粒流湍流在弯头处进行方向变化而损耗的湍动能h_s，h_s的计算公式为：

$h_s=\mathrm{\ξ}\frac{u^2}{2g}=k\frac{\mathrm{\θ}}{90}\frac{u^2}{2g}=\[1.31+0.159{\left(\frac{d}{k}\right)}^{3.5}\]\frac{\mathrm{\θ}}{90}\frac{u^2}{2g},$

式中，ξ为局部阻力系数，θ为弯管过渡角，d为弯管水力直径，k为弯管中线曲率半径，θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\frac{l}{k},$

4)结合湍动能的计算公式和沿程损失和局部损失的计算公式，建立温度与加工路径的关系式：

设常温为t₀时，湍动能计算公式h₀为：

$h_0=0.01402u^4{\mathrm{\ρ}}^2{d}^2{(1+0.03368t_0+0.002110{t_0}^2)}^{-\frac{1}{4}},$

设补偿温度后磨粒流温度为t_n，此时的湍动能h_n为：

$h_n=0.01402u^4{\mathrm{\ρ}}^2{d}^2{(1+0.03368t_n+0.002110{t_n}^2)}^{-\frac{1}{4}},$

则湍动能的差值为△h＝h_n-h₀，为了保证加工的均匀性，令△h＝0，根据此等式建立温度与加工路径的关系式如下：

$\begin{array}{c}0.01402u^4{\mathrm{\ρ}}^2{d}^2\[{\left(1+0.03368t_0+0.002110{t_0}^2\right)}^{-\frac{1}{4}}-{\left(1+0.03368t_n+0.002110{t_n}^2\right)}^{-\frac{1}{4}}\]\\ -\[1.31+0.159{\left(\frac{d}{k}\right)}^{3.5}\]\frac{\mathrm{\θ}}{90}\frac{u^2}{2g}=0\end{array},$

设常温为24℃，由此转换得到根据加工路径变化后的温度变化，即温度补偿函数T，其计算公式为：

$T=2262.4\×{(0.00018814l^{\frac{4}{3}}+1.641)}^{\frac{1}{2}}-76.199;$

5)根据温度补偿函数T沿仿形流道的侧面设置多个电磁波加热源，磁波加热源沿仿形流道分布并正对仿形流道，电磁波加热源的分布疏密根据温度补偿函数来确定，通过电磁波加热源对仿形流道内各个位置进行加热；

6)待整个装置稳定工作后，通过独立调节每个电磁波加热源，对仿形流道内各个位置进行温度补偿，并利用磨粒流对类人工关节件进行持续加工，直到完成整个加工过程为止。

2.根据权利要求1所述的一种类人工关节件磨粒流湍流抛光变温加工方法，其特征在于：通过电磁波加热源的电磁波波长来控制电磁波加热源的补偿温度，电磁波加热源的强度由温度补偿函数T确定，根据人工关节的尺寸、种类和加工条件，计算出不同的湍动能的温度补偿函数，并根据温度补偿函数对每个电磁波加热源进行控制，该过程通过计算机来执行，实现湍动能的补偿。