[发明专利]类人工关节件湍流加工过程中加工工件的温度补偿方法

摘要

本发明公开了一种类人工关节件湍流加工过程中加工工件的温度补偿方法，包括如下步骤：1)建立类人工关节磨粒流加工仿形流道；2)建立仿形流道内磨粒流的湍动能函数；3)建立磨粒流的动能损失公式；4)建立温度与加工路径的关系式；5)设置仿形电磁波加热器；6)待整个装置稳定工作后，通过独立调节每个仿形电磁波加热器的加热源，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。本发明通过建立温度补偿函数，实时直观的反映了仿形流道内磨粒流的温度变化，从而方便进行仿形流道内各个位置的温度补偿，方便对电磁波加热源进行准确的控制，从而保证加工过程的均匀性。

主权项

类人工关节件湍流加工过程中加工工件的温度补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：1)建立类人工关节磨粒流加工仿形流道；通过在类人工关节件外套装玻璃约束构件，在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，仿形流道、气膜泵和搅拌器通过管道构成磨粒流循环系统，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函数，由于湍动能h与湍流强度I的关系式为式中，u为磨粒流的平均速度，I为磨粒流的湍流强度；首先计算出磨粒流的湍流强度I，湍流强度I的计算公式为：I=0.16Re-18,]]>式中，Re为磨粒流的雷诺系数，Re的计算公式为：Re=ρudμ,]]>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：μ=0.017791+0.03368t+0.0002110t2,]]>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=0.09669ρud(1+0.03368t+0.0002110t2)-18,]]>将湍流强度I的公式代入湍动能h的公式中，得到湍动能函数如下：h=0.01402u4ρ2d2(1+0.03368t+0.002110t2)-14;]]>3)建立磨粒流的动能损失公式，其中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：hl=λlu2R8g,]]>式中，R—非圆管的水力半径；λ为阻力系数，λ的计算公式为：λ=0.316Re0.25,]]>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hs，hs的计算公式为：hs=ξu22g=kθ90u22g=[1.31+0.159(dk)3.5]θ90u22g,]]>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：θ=lk;]]>4)建立温度与加工路径的关系式；设常温时磨粒流的温度为t0,补偿温度后磨粒流温度为tn,则常温时的磨粒流湍动能计算公式h0为：h0=0.01402u2ρ2d2(1+0.03368t0+0.002110t02)-14,]]>补偿温度后磨粒流的湍动能hn为：hn=0.01402u4ρ2d2(1+0.03368tn+0.002110tn2)-14,]]>湍动能的差值为△h＝hn‑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：0.01402u2ρ2d2[(1+0.03368t0+0.002110t02)-14-(1+0.03368tn+0.002110tn2)-14]-[1.31+0.159(dk)3.5]θ90u22g=0,]]>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×(0.00018814l43+1.641)12-76.199;]]>5)在玻璃约束构件的侧面设置支撑架，在支撑架上安装仿形电磁波加热器，仿形电磁波加热器正对所述仿形流道；所述仿形电磁波加热器与电磁波控制器电连接，由电磁波控制器控制所述仿形电磁波加热器的电磁波强度；所述仿形电磁波加热器包括外罩、加热源、凹透镜和凸透镜，加热源设有多个且均在所述外罩上，所有加热源均正对凹透镜和凸透镜，凹透镜和凸透镜的形状与与仿形流道在类人工关节件侧面上的投影形状相同，加热源发出的电磁波依次经过凹透镜和凸透镜后发射到仿形流道内；加热源的分布由温度补偿函数T来确定，根据仿形流道不同位置处需要的补偿温度来确定对应位置处加热源分布的疏密；6)待整个装置稳定工作后，通过独立调节每个仿形电磁波加热器的加热源，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。