髖關(guān)節(jié)股骨假體柄型面拷貝式電解加工試驗(yàn)研究

胥中正，陳曉磊，于兆勤，張永俊

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006）

連接股骨與骨盆的髖關(guān)節(jié)是人體最重要的關(guān)節(jié)之一，它主要起到人體負(fù)重及下肢活動(dòng)的功能。意外事故、不良生活習(xí)慣、老齡化等問題易導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)疼痛、壞死至喪失功能，臨床治療上常采用人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，將股骨假體柄和髖臼假體植入體內(nèi)組成人工髖關(guān)節(jié)，以替換患者的失效部位。

假體柄幾何外形歷經(jīng)發(fā)展，采用螺栓、螺釘固定或利用金屬股骨頭、超高分子聚乙烯髖臼組合假體而被臨床廣泛應(yīng)用[1]。現(xiàn)代臨床采用的股骨假體柄主要有骨水泥型和生物型[2]，都具有直柄錐度曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。作為醫(yī)用植入體的金屬材料一般要求有較好的生物相容性、機(jī)械性能和耐腐蝕性能，鈦合金是理想的植入材料[3]，但其機(jī)械加工成本過高。

股骨假體柄的加工方法主要有鍛造、多軸數(shù)控加工和快速成形技術(shù)。周金龍等[4]將電腦輔助設(shè)計(jì)與鍛造工藝模擬解析技術(shù)應(yīng)用于鍛坯和模具設(shè)計(jì)，能縮短開發(fā)時(shí)長并降低開發(fā)成本，但需經(jīng)二次加熱、終鍛與切除飛邊等繁雜工序；Ferreira等[5]通過銑削加工制造出具有復(fù)雜幾何形狀的7075鋁合金股骨假體柄；張峰[6]采用四軸精密銑削技術(shù)加工出7075鋁合金假體柄；管曉東等[7]采用機(jī)器人磨削銅棒直接加工定制式假體?？焖俪尚渭夹g(shù)在個(gè)性化定制醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，劉宏偉等[8]采用電子束熔融金屬3D打印技術(shù)制造出具有復(fù)雜三維形態(tài)、表面微孔并與干骺端髓腔匹配的鈦合金個(gè)性化股骨假體；Krishna等[9]利用激光近凈成形技術(shù)成功制備出多孔鈦材料臀骨柄，該方法可根據(jù)病人個(gè)性化定制假體柄，但其加工表面質(zhì)量低、加工效率低、需后續(xù)處理，技術(shù)不是很成熟。

電解加工是對(duì)金屬工件在電解液中進(jìn)行陽極溶解而去除材料、實(shí)現(xiàn)工件加工成形的工藝過程，具有加工范圍廣、加工效率高、工具無損耗等特點(diǎn)，在金屬復(fù)雜型面成形加工方面優(yōu)勢明顯。眾多學(xué)者對(duì)型面電解加工做了深入研究，周敘榮等[10]對(duì)球槽曲面電解加工時(shí)的流場進(jìn)行了數(shù)值分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；Zhang等[11]采用徑向中間內(nèi)噴式供液電解加工方法，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)縫合的線性切割吻合器表面陣列變截面凹坑結(jié)構(gòu)的高精度、高效率加工。

本文以股骨假體柄型面加工為研究對(duì)象，提出了成形陰極拷貝式電解加工工藝方案，利用成形陰極在304不銹鋼毛坯件上進(jìn)行假體柄型面電解加工試驗(yàn)，重點(diǎn)研究電解液壓力、加工電壓和進(jìn)給速度對(duì)型面尺寸精度的影響規(guī)律。

1 加工原理與平臺(tái)

1.1 股骨假體柄型面拷貝式電解加工原理

圖1是某股骨假體柄零件的三維圖和二維剖面，兩臺(tái)階面具有相同的斜度，錐度角為3°。針對(duì)該股骨假體柄型面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出采用拷貝式成形電解加工技術(shù)完成型面的一次成形加工，其原理是利用成形工具陰極，在電化學(xué)作用下，將陰極型面拷貝、復(fù)制到工件表面。由于型面長寬比大，為保證電解加工過程流場均勻及加工表面質(zhì)量良好，采用側(cè)流式電解液沖液。

圖1 股骨假體柄零件

如圖2所示加工原理，在加工過程中，利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床Z軸向下帶動(dòng)陰極進(jìn)給，同時(shí)電解液從右側(cè)流入上下夾具形成的封閉腔加工區(qū)，在材料發(fā)生電化學(xué)溶解的同時(shí)，帶走加工產(chǎn)生的熱量和產(chǎn)物，隨著陰極的逐步進(jìn)給完成股骨假體柄型面拷貝成形。

圖2 股骨假體柄單面拷貝電解加工原理

在加工過程中，根據(jù)型面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將整個(gè)成形加工分為兩步進(jìn)行，如圖3所示。單次加工成形一側(cè)，之后更換夾具，完成另一側(cè)型面加工，最終實(shí)現(xiàn)雙型面假體柄零件加工。

圖3 股骨假體柄電解加工過程示意圖

1.2 股骨假體柄成形電解加工平臺(tái)

圖4是自主搭建的電解加工試驗(yàn)平臺(tái)，主要包括電解加工專用夾具、三軸電解加工機(jī)床、脈沖電源和電解液循環(huán)系統(tǒng)。其中，專用夾具為加工區(qū)提供穩(wěn)定封閉流場，保證流場均勻性和加工過程穩(wěn)定性。如圖4b所示，夾具系統(tǒng)主要由夾具上工裝和下工裝組成，工具陰極放入上工裝后，通過上方絕緣連接件與機(jī)床Z軸相連，旋入陰極引電螺釘，等厚不銹鋼毛坯件放置在下工裝的安裝孔內(nèi)，側(cè)向旋入陽極引電螺釘。

圖4 電解加工試驗(yàn)平臺(tái)

三軸電解加工機(jī)床及控制系統(tǒng)控制工具陰極沿Z軸向下垂直、穩(wěn)定、精確進(jìn)給。脈沖電源正負(fù)極分別接陽、陰極引電螺釘，為電解加工過程提供穩(wěn)定電流。電解液循環(huán)系統(tǒng)在為加工區(qū)域提供電解液的同時(shí)，及時(shí)帶走電解加工的產(chǎn)物和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱，保證加工過程的穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)條件

為了探究不同工藝參數(shù)對(duì)假體柄電解加工穩(wěn)定性和成形精度的影響規(guī)律，分別進(jìn)行不同進(jìn)液壓力、不同加工電壓和不同進(jìn)給速度對(duì)加工結(jié)果的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 電解加工工藝參數(shù)

如圖5所示，利用三坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)加工后的假體柄輪廓進(jìn)行測量，并與目標(biāo)尺寸進(jìn)行對(duì)比分析與誤差分析，得出型面電解加工的加工精度，并對(duì)加工后的型面A、B、C三處的表面粗糙度進(jìn)行測量。

圖5 股骨柄輪廓采樣點(diǎn)位置示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 入口壓力對(duì)型面成形精度的影響

為研究不同進(jìn)液壓力對(duì)型面電解加工的影響，固定加工電壓16 V、進(jìn)給速度0.12 mm/min，選用電解液入口壓力為0.2、0.4、0.6 MPa開展加工試驗(yàn)，加工結(jié)果見圖6，不同進(jìn)液壓力下的加工結(jié)果與目標(biāo)尺寸誤差見圖7。

圖6 不同電解液入口壓力下的加工結(jié)果

結(jié)合圖6、圖7可知，當(dāng)電解液的入口壓力為0.2 MPa時(shí)，加工型面尺寸與目標(biāo)型面尺寸誤差分布較均勻，平均誤差在0.15 mm左右。這是由于在小間隙下，電解液流速慢，無法快速將電解加工產(chǎn)生的焦耳熱排出加工區(qū)，使電解液電導(dǎo)率增大，進(jìn)而使得工件腐蝕量增大、成形精度變差；當(dāng)電解液入口壓力為0.4、0.6 MPa時(shí)，加工型面尺寸與目標(biāo)型面尺寸誤差都呈現(xiàn)出電解液入、出口側(cè)大、流程中部小的分布，電解液入口壓力由0.4 MPa增加至0.6 MPa時(shí)，尖端誤差由0.18 mm降至0.162 mm。

圖7 各測量點(diǎn)與目標(biāo)尺寸的誤差

加工時(shí)，電解液的入口壓力越小，流速越慢，無法快速將電解加工產(chǎn)生的焦耳熱排出加工區(qū)，導(dǎo)致焦耳熱沿程積累，使得出口附近的電導(dǎo)率增大，進(jìn)而導(dǎo)致出口附近的工件腐蝕量增大、尖端成形精度變差。綜合分析可得，在其他參數(shù)一定的條件下，較高的電解液入口壓力可以提高型面的成形精度。

3.2 加工電壓對(duì)型面成形精度的影響

為研究不同加工電壓對(duì)型面電解加工的影響，固定入口壓力0.6 MPa、進(jìn)給速度0.15 mm/min，選用加工電壓為16、18、20 V開展加工試驗(yàn)，加工結(jié)果見圖8，不同加工電壓下的加工結(jié)果與目標(biāo)尺寸的誤差見圖9。

結(jié)合圖8、圖9可知，隨著加工電壓增大，假體柄型面尺寸與目標(biāo)尺寸誤差變大。這是由于加工電壓增大，拷貝加工間隙增大，成形精度變差；當(dāng)加工電壓為16 V時(shí)，最大誤差為0.102 mm，最小誤差為0.034 mm。綜合分析可得，在其他參數(shù)一定的條件下，低加工電壓可以提高型面的成形精度。

圖8 不同加工電壓下的加工結(jié)果

圖9 各測量點(diǎn)與目標(biāo)尺寸的誤差

3.3 進(jìn)給速度對(duì)型面成形精度的影響

為研究不同進(jìn)給速度對(duì)型面電解加工的影響，固定入口壓力0.6 MPa、加工電壓16 V，選用進(jìn)給速度分別為0.09、0.12、0.15 mm/min開展加工試驗(yàn)，加工結(jié)果見圖10，不同進(jìn)給速度下的加工結(jié)果與目標(biāo)尺寸的誤差見圖11。

結(jié)合圖10、圖11可知，隨著進(jìn)給速度增大，假體柄型面尺寸與目標(biāo)尺寸誤差變小。這是由于進(jìn)給速度增大，拷貝加工間隙變小，成形精度提高；進(jìn)給速度為0.15 mm/min時(shí)，最大誤差為0.097 mm，最小誤差為0.036 mm。綜合分析可得，在其他參數(shù)一定的條件下，較高的進(jìn)給速度可以提高型面的成形精度。

圖10 不同進(jìn)給速度下的加工結(jié)果

圖11 各測量點(diǎn)與目標(biāo)尺寸的誤差

3.4 假體柄優(yōu)化加工

為加工出較好的股骨假體柄零件，采用表1所示的參數(shù)對(duì)型面加工進(jìn)行分析和優(yōu)化，其中電解液入口壓力為0.6 MPa，進(jìn)給速度為0.15 mm/min，脈沖電壓為16 V。整體試驗(yàn)過程穩(wěn)定，成功加工出的假體柄零件見圖12，其中虛線為不銹鋼毛坯件輪廓，其截面尺寸如圖13所示，1、2號(hào)測量控制線與目標(biāo)尺寸的誤差見圖14。

圖12 加工出的股骨假體柄零件

結(jié)合圖13、圖14可知，加工出的截面形狀與目標(biāo)尺寸接近，最大誤差為0.153 mm，最小誤差為0.035 mm，擬合錐度角為3.259°。

圖13 優(yōu)化參數(shù)下的加工結(jié)果

圖14 兩測量控制線與目標(biāo)尺寸的誤差

圖15 是A、B、C三點(diǎn)處的表面粗糙度，可見電解液出口處的表面粗糙度值為Ra1.311μm，入口處的表面粗糙度值為Ra0.796μm。這是由于電解加工產(chǎn)生的氫氣等氣體沿流程流至出口處，引起該處的電解液電導(dǎo)率變化，電流密度分布不均勻，導(dǎo)致表面粗糙度值增大。

4 結(jié)論

本文利用成形陰極在304不銹鋼工件上進(jìn)行股骨假體柄型面拷貝電解加工試驗(yàn)，探究不同參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論：

圖15 A、B、C三處的表面粗糙度

（1）在其他參數(shù)一定下，高電解液進(jìn)口壓力、低加工電壓和高進(jìn)給速度能提高型面電解加工的成形精度。

（2）當(dāng)采用電解液進(jìn)液壓力0.6 MPa、脈沖電壓16 V、進(jìn)給速度0.15 mm/min的優(yōu)化參數(shù)，利用成形電極加工出測量值與理論輪廓誤差的差值最大為0.153 mm、最小為0.035 mm，表面粗糙度最大值為Ra1.311μm、最小值為Ra0.796μm，擬合錐度角為3.259°。