劉峰

摘 要：該文提到一種醫(yī)用材料的特定尺寸的金屬環(huán)件，但該環(huán)件的直接尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)所要的要求，需要做擴(kuò)徑加工，由于該材料在低溫狀態(tài)下（-50℃～70℃）能夠較好地塑性加工，因此需要設(shè)計(jì)一套采用冷擠壓技術(shù)且?guī)в欣鋮s箱的輔助裝置對其進(jìn)行擴(kuò)徑加工，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該文研究了特種醫(yī)用材料擴(kuò)徑成型輔助裝置。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)徑加工 塑性加工 冷擠壓技術(shù)

中圖分類號：TG3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0099-02

隨著醫(yī)療衛(wèi)生水平的發(fā)展，人們對植入人體的醫(yī)用材料也有了更高的要求。對于早前的醫(yī)用材料的加工裝置已經(jīng)達(dá)不到現(xiàn)階段對于醫(yī)用材料的加工要求標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對其裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

此文通過機(jī)械式輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以滿足醫(yī)學(xué)上對材料逐漸提高的高標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而實(shí)現(xiàn)在低溫下的對零件的擴(kuò)徑冷擠壓操作。

擴(kuò)徑成型裝置作為一個(gè)輔助機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)可調(diào)預(yù)緊力對醫(yī)用材料擴(kuò)徑成型時(shí)，為防止環(huán)件的碎裂，盡量將下壓速度放緩，同時(shí)對于芯模的擴(kuò)徑行程也有了一定的要求。另外，整個(gè)過程是一個(gè)在低溫下的冷擠壓過程，環(huán)件又比較小，所以在如此小冷卻液槽內(nèi)對整個(gè)裝置設(shè)備的強(qiáng)度硬度都提出了較高的要求。因此，在設(shè)計(jì)過程中，不僅需要對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，還需要進(jìn)行可行性研究，為最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并能夠?qū)Νh(huán)件擴(kuò)徑的大批量生產(chǎn)。

擴(kuò)徑成型輔助裝置對特殊材料制成的環(huán)件、管件、通孔零件在低溫下擴(kuò)徑、縮徑能達(dá)到改善強(qiáng)度，硬度，控制表面粗糙度，精密加工的效果。

1 擴(kuò)徑裝置總體結(jié)構(gòu)

該裝置主要用于特種醫(yī)用材料的低溫塑性擴(kuò)徑加工，通過在低溫環(huán)境中擴(kuò)徑的方式，來達(dá)到在低溫條件下的冷擠壓擴(kuò)徑成型。由于工作溫度相對較低，所以需要考慮設(shè)計(jì)填料和卸料的裝置。同時(shí)，由于所擴(kuò)的材料要求整個(gè)壓入擴(kuò)徑過程要至少有100mm的行程，而且在這個(gè)過程中，需要有冷卻液（干冰和無水酒精的混合液體）的存在，因而需要注意冷卻液槽中的壓力。綜合以上說明，擴(kuò)徑裝置的設(shè)計(jì)要考慮如下因素：擴(kuò)徑行程、重量、粗糙度、冷卻箱的密封性、上下芯模的強(qiáng)度、底板滑塊彈簧的壓縮力。圖1即為擴(kuò)徑裝置的總體設(shè)計(jì)草圖。

擴(kuò)徑裝置的主要要求指標(biāo)包括：擴(kuò)徑行程、重量、摩擦、冷卻液槽的密封性、上下芯模的強(qiáng)度、底板滑塊彈簧的壓縮力。

2 擴(kuò)徑裝置的主要零件及工作原理

2.1 冷卻箱

由于冷擠壓擴(kuò)徑需要從外界放入于被擴(kuò)件組裝好的芯模，為防止中心的不對稱導(dǎo)致擴(kuò)徑時(shí)壓力載荷分布的不均勻，因此采用圓桶來裝冷卻液。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

冷卻箱殼體的內(nèi)壁與乙醇加干冰混合物接觸，外壁因受溫差影響掛霜使表面潮濕，裝置的大部分零件都浸入冷卻介質(zhì)中。因此，為了防止冷卻箱殼件腐蝕，采用了1Cr13不銹鋼材料。由于需要進(jìn)行擴(kuò)徑操作及填料及取料的操作，所以無法將低溫箱做成完全密封。因此，還在低溫箱的上面加了個(gè)蓋起到一定的節(jié)約冷卻液的作用，冷卻箱體積V=πR2h=3.14×0.0852×0.335=0.0076m3，由于箱體內(nèi)一半是零件，另一半是冷卻液，因此估算其密度平均值ρ≈4×103kg/m3，因此整個(gè)箱體的重量G≈ρVg≈304N≤670.8N。

2.2 冷擠壓擴(kuò)徑裝置

整個(gè)擴(kuò)徑裝置的核心是上下芯模、底板滑塊、壓縮彈簧以及底板滑塊固定座構(gòu)成。具體如圖3所示。

因?yàn)楸粩U(kuò)件比較小，無論是放入還是取出都相對不易，因此此套裝置采取將芯模與工件一起放入，一起取出的設(shè)計(jì)。

上芯模是由一個(gè)帶錐度的實(shí)心軸構(gòu)成，當(dāng)開始擴(kuò)徑時(shí)，被擴(kuò)件在上芯模的底部，由于環(huán)件內(nèi)徑與軸的最小直徑處相等，等到擴(kuò)徑開始整個(gè)上芯模被壓入環(huán)件，從而使被擴(kuò)件的內(nèi)徑從φ22增加到φ26。

下芯模起到一個(gè)固定和支撐的作用，并且由于擴(kuò)徑完成后，被擴(kuò)件需要和芯模一起從冷卻箱中拿出，有了下芯模，環(huán)件就不會(huì)在拿出的過程中脫落。下芯模主要起到防止被擴(kuò)環(huán)脫落的作用，在環(huán)件剛剛被放入冷卻箱中的時(shí)候，下芯模也起到定位中心的作用，正好與底板上的滑動(dòng)擋板相配合，使以后的擴(kuò)徑工作能夠順利地進(jìn)行。

上下芯模通過螺紋連接，初始時(shí)是分開的，在常溫下將被擴(kuò)環(huán)套入上芯模底部，然后組裝上下芯模，將環(huán)定位在中間，使之能夠在擴(kuò)孔過程中不發(fā)生滑落，并且在擴(kuò)徑時(shí)利用上芯模始終對環(huán)施加壓力從而完成擴(kuò)孔操作。

2.3 活動(dòng)擋板

如圖5是由兩個(gè)矩形塊組成，中間是一個(gè)φ22的孔，兩邊各用兩個(gè)壓縮彈簧固定，并對其施加力，在擴(kuò)徑前，由于擋板中間的孔直徑小于下芯模的最大直徑，因而能夠?qū)π灸Ｆ鸬街巫饔谩．?dāng)擴(kuò)徑開始時(shí)，芯模受到壓力機(jī)的下壓力，壓縮彈簧受力后，擋板分開，使芯模能夠通過其中，但是由于被擴(kuò)件外徑比內(nèi)徑大，應(yīng)此擋板正好能夠卡住被擴(kuò)件，不讓其隨芯模下降。同時(shí)，擋板對被擴(kuò)件提供一個(gè)向上的支持力，與芯模對被擴(kuò)件的擠壓力同時(shí)作用，形成擴(kuò)徑操作。

2.4 壓縮彈簧的選用

由擴(kuò)徑力以及上芯模的頂錐角α=2.29°，可得法向壓力為292.92N。因此即可得出環(huán)件與芯模的滑動(dòng)摩擦力為41.0N。因此彈簧需要提供41.0N的鎖緊力就可以符合設(shè)計(jì)要求。

2.5 支撐架與定位套筒

如圖6所示，支撐架與定位套筒共同組成了整個(gè)擴(kuò)徑裝置的支撐和定位系統(tǒng)，支撐架由4根φ30的圓柱組成，用螺栓和螺母把底板座與定位套筒相連接。定位套筒中間的孔正好與上芯模的蓋板相配合，這樣就保證了芯模在放入冷卻箱中的時(shí)候能夠準(zhǔn)確地落在擋板孔內(nèi)，使芯模能夠豎直向下壓入被擴(kuò)件，從而達(dá)到擴(kuò)徑要求。由于芯模需要向下壓入，需要排開底板下面的冷卻液，因此在支撐架與定位套筒底部和底板上設(shè)計(jì)了幾個(gè)孔用來排壓。另外，在定位套筒與支撐架的中間，留出了一個(gè)φ50×φ30的圓柱的空間用來放入活動(dòng)擋板組件，利用定位套筒和擋板座的下底面正好可以支撐活動(dòng)擋板，以避免由于下壓力過大而造成活動(dòng)擋板無法支撐被壓潰（圖7為支撐架與定位套筒主視圖）。

2.6 工作原理

回轉(zhuǎn)平臺(tái)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿實(shí)現(xiàn)對蝸輪的的傳動(dòng)，渦輪再帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對冷卻箱的旋轉(zhuǎn)。蝸桿用兩個(gè)圓錐滾子軸承以及一個(gè)圓柱滾子軸承支撐?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)與蝸輪用6個(gè)螺釘連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，并用軸通過調(diào)心滾子軸承與底座上的中心孔相定位。另外中心軸也起到了一個(gè)支撐作用，同時(shí)起到支撐作用的還有整個(gè)底座箱上蓋的滑道。

3 結(jié)語

特種醫(yī)用材料擴(kuò)徑成型輔助裝置是在傳統(tǒng)常溫下冷擠壓擴(kuò)徑機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型擴(kuò)徑機(jī)構(gòu)。此文在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中完成了以下工作。

（1）結(jié)合低溫（-70℃）環(huán)境對內(nèi)徑為22mm的環(huán)件設(shè)計(jì)出擴(kuò)徑機(jī)構(gòu)的整體機(jī)構(gòu)、冷卻箱，以及可替換的凸模和活動(dòng)的凹模，完成了擴(kuò)徑3mm的要求。

（2）能夠清楚地觀察分析擴(kuò)徑裝置的整體設(shè)計(jì)及零件的形狀尺寸，使擴(kuò)徑裝置的整體結(jié)構(gòu)得到清晰的展示。通過此舉，可對裝置進(jìn)行合理化分析，對零部件進(jìn)行及時(shí)修改。

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