CN110899594A - 一种金属髋臼外杯闭式锻造模具及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其能解决现有金属髋臼外杯均采用开式模锻工艺制造，存在工序繁杂、制造周期长、材料利用率较低、易产生充型缺陷、锻造设备调整难度大、生产成本高的问题。其包括冲头和阴模，阴模上开有上下贯通的模膛，模膛包括由上至下依次同轴连通的导向筒、型腔和挤压口，型腔的形状与髋臼外杯的外形相适应；冲头的底面上设有由上至下同轴设置的导向部和成型部，导向部与导向筒间隙配合，成型部的形状与髋臼外杯的内形相适应。同时本发明还提供了一种金属髋臼外杯闭式锻造方法。

Description

一种金属髋臼外杯闭式锻造模具及锻造方法

技术领域

本发明涉及人工关节加工制造领域，具体为一种金属髋臼外杯闭式锻造模具及锻造方法。

背景技术

金属髋臼外杯为人工关节植入物，用于人体髋关节发生损伤或病变后进行骨科置换手术时植入人体髋关节的替换物，植入患者体内在一定程度上恢复髋关节的生理功能，缓解疼痛，改善患者的运动需求，提高生活质量。

目前同类金属髋臼外杯均采用开式模锻工艺制造，其锻造过程会产生较大的飞边，需要后期通过激光切边和铣飞边等工序将飞边去除，工序繁杂，制造周期长，原材料消耗较大，材料利用率较低，易产生充型缺陷，且采用开式模锻时髋臼外杯的内球面与外球面易产生错移现象，增加了锻造设备调整的难度，还要设计专门的错移检测工具检测错移量，增加了工装测具的投入成本，错移量较大时造成工件不合格，产生浪费，生产成本较高。

发明内容

针对现有金属髋臼外杯均采用开式模锻工艺制造，存在工序繁杂、制造周期长、材料利用率较低、易产生充型缺陷、锻造设备调整难度大、生产成本高的技术问题，本发明提供了一种金属髋臼外杯闭式锻造模具及锻造方法，其能实现金属髋臼外杯的闭式锻造，工步少、生产效率高、材料利用率高、避免产生充型缺陷、锻造设备调整简单、生产成本低。

其技术方案是这样的：

一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：其包括冲头和阴模，所述阴模上开有上下贯通的模膛，所述模膛包括由上至下依次同轴连通的导向筒、型腔和挤压口，所述型腔的形状与髋臼外杯的外形相适应；所述冲头的底面上设有由上至下同轴设置的导向部和成型部，所述导向部与所述导向筒间隙配合，所述成型部的形状与髋臼外杯的内形相适应。

其进一步特征在于：

所述导向筒的顶部沿周向加工有倒角。

所述导向部与所述导向筒的配合间隙为单面0.1mm~0.5mm。

所述阴模的导向拔模角为0.1°~1°。

所述导向筒高度为20mm~40mm。

所述挤压口的直径为3mm~15mm，长度为5mm~30mm。

一种金属髋臼外杯闭式锻造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、下料，根据髋臼外杯体积计算所需棒料长度和直径，将医用钛合金棒料下料，并在棒料上下端面倒圆角，且圆角半径3mm~10mm，完成下料；

步骤2、喷涂，在棒料表面喷涂防氧化涂层；

步骤3、终锻成型，将上述锻造模具安装到电动螺旋压力机上，将步骤2中的棒料放入电炉中加热至钛合金锻造工艺温度，使棒料热透，再转入所述锻造模具中终锻成型获得终锻件。

其进一步特征在于：

步骤2中喷涂防氧化涂层工艺为，将棒料加热至150℃~250℃后直接喷涂玻璃-陶瓷防氧化涂层，涂层厚度为0.02mm~0.20mm。

棒料为Ti6Al4V合金，步骤3中将棒料放入电炉内加热至900℃~970℃，保温时间为10min~30min，取出立即放入预先喷好模具润滑剂的所述阴模中进行终锻成型。

所述模膛及所述冲头的预置热胀系数为1.0~1.1。

本发明的有益效果是：

1、本发明的闭式锻造模具，包括冲头和阴模，阴模的模膛由上至下包括导向筒和与髋臼外杯外形相适应的型腔，冲头的底面上由上至下设有与导向筒间隙配合的导向部和与髋臼外杯内形相适应的成型部，从而可实现髋臼外杯的闭式锻造成型，不会产生飞边和充型缺陷，从而能够省去去飞边工步，缩短制造周期，提高生产效率，同时也节省了原材料，提高材料利用率；导向筒和导向部的配合还能够对锻造过程进行精确导向，保证髋臼外杯的内球面与外球面错移量满足设计要求，不仅保证了产品合格率，而且使锻造设备调整简单，节省错移量检测工装投入成本；

2、本发明的锻造方法，采用闭式锻造工艺，只需下料、喷涂和终锻即可将髋臼外杯锻造成型，即一次锻造即可将髋臼外杯锻造成型，锻造工艺简单，在锻造模具的保证下终锻件不会产生飞边和充型缺陷，具有制造周期短、生产效率高、锻造材料利用率高、工装夹具的投入成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的锻造模具的主剖视图；

图2为图1中A区域的放大图；

图3为本发明的锻造方法中下料棒料的主视图；

图4为采用本发明方法锻造的髋臼外杯的终锻件主剖视图。

具体实施方式

见图1至图2，本发明的一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其包括冲头1和阴模2，阴模2上开有上下贯通的模膛，模膛包括由上至下依次同轴连通的导向筒3、型腔4和挤压口5，导向筒3的顶部沿周向加工有倒角6，导向筒3高度为20mm~40mm，阴模2的导向拔模角α（即导向筒侧壁与竖直方向的夹角）为0.1°~1°，型腔4的形状与髋臼外杯的外形相适应，挤压口5的直径为3mm~15mm，长度为5mm~30mm；冲头1的底面上设有由上至下同轴设置的导向部7和成型部8，导向部7与导向筒3间隙配合且配合间隙为单面0.1mm~0.5mm，成型部8的形状与髋臼外杯的内形相适应。型腔4与外部的顶料机构9通过挤压口5连通，终锻结束后顶料机构9通过挤压口5将终锻件顶出，方便终锻件取出。导向拔模角α以及导向部7与导向筒3配合间隙的设计能够更好的确保工件错移满足设计要求。

见图1至图4，本发明的一种金属髋臼外杯闭式锻造方法，其包括以下步骤：

步骤1、下料，根据髋臼外杯体积计算所需棒料10长度和直径，将医用钛合金棒料下料，并在棒料10上下端面倒圆角，上端面圆角半径R1=3mm~10mm，下端面圆角半径R2=3mm~10mm，完成下料；

步骤2、喷涂，将棒料加热至150℃~250℃后直接喷涂玻璃-陶瓷防氧化涂层，涂层厚度为0.02mm~0.20mm；

步骤3、终锻成型，将本发明的锻造模具安装到电动螺旋压力机上，将步骤2中的棒料放入电炉中加热至钛合金锻造工艺温度，并保温一定时间使棒料热透，以Ti6Al4V合金为例，锻造工艺温度为900℃~970℃（即加热至Ti6Al4V合金β相变温度下40℃~60℃），保温时间为10min~30min，再取出立即放入预先喷好模具润滑剂（通常选用石墨作为模具润滑剂）的阴模中进行终锻成型获得终锻件11，锻造方向沿模膛轴线向下。为了保证终锻件形状尺寸，模膛及冲头的预置热胀系数为1.0~1.1。

图4为终锻件结构示意图，可以看出，终锻件11上没有飞边，仅在顶部形成有纵向毛刺12，底部形成有挤压口尾料13，这些都可以在后期抛修工序中去除（开式锻造在去飞边后也有抛修工序）。此外，在终锻调试过程中，仅根据纵向毛刺及挤压口尾料形成情况，即可初步判断终锻件充型情况，而开式锻造由于有飞边，终锻调试步骤很难判断终锻件充型情况，并且需要有测具辅助。

下面以具体实施例详细说明本发明的锻造方法。

实施例1

步骤1、下料，将φ35mm医用Ti6Al4V合金棒料下料，根据髋臼外杯体积精确计算棒料长度，并在棒料上下端面倒圆角，上端面圆角半径R1=3mm，下端面圆角半径R2=10mm，完成下料；

步骤2、喷涂，将棒料加热至150℃后直接喷涂玻璃-陶瓷防氧化涂层，涂层厚度为0.02mm；

步骤3、终锻成型，将锻造模具安装到电动螺旋压力机上，锻造模具的模膛及冲头的预置热胀系数为1.0~1.1，将步骤2中的棒料放入电炉中加热至900℃，保温时间为30min，再取出立即放入预先喷好石墨的阴模中进行终锻成型获得终锻件，锻造方向沿模膛轴线向下。

对本实施例制成的终锻件进行力学性能检测，结果见表1，可以看出，其力学性能明显高于设计要求，证明该金属髋臼外杯闭式锻造方法可行且有效。

实施例2

步骤1、下料，将φ45mm医用Ti6Al4V合金棒料下料，根据髋臼外杯体积精确计算棒料长度，并在棒料上下端面倒圆角，上端面圆角半径R1=5mm，下端面圆角半径R2=8mm，完成下料；

步骤2、喷涂，将棒料加热至200℃后直接喷涂玻璃-陶瓷防氧化涂层，涂层厚度为0.11mm；

步骤3、终锻成型，将锻造模具安装到电动螺旋压力机上，锻造模具的模膛及冲头的预置热胀系数为1.0~1.1，将步骤2中的棒料放入电炉中加热至935℃，保温时间为20min，再取出立即放入预先喷好石墨的阴模中进行终锻成型获得终锻件，锻造方向沿模膛轴线向下。

对本实施例制成的终锻件进行力学性能检测，结果见表1，可以看出，其力学性能明显高于设计要求，证明该金属髋臼外杯闭式锻造方法可行且有效。

实施例3

步骤1、下料，将φ40mm医用Ti6Al4V合金棒料下料，根据髋臼外杯体积精确计算棒料长度，并在棒料上下端面倒圆角，上端面圆角半径R1=10mm，下端面圆角半径R2=10mm，完成下料；

步骤2、喷涂，将棒料加热至250℃后直接喷涂玻璃-陶瓷防氧化涂层，涂层厚度为0.20mm；

步骤3、终锻成型，将锻造模具安装到电动螺旋压力机上，锻造模具的模膛及冲头的预置热胀系数为1.0~1.1，将步骤2中的棒料放入电炉中加热至970℃，保温时间为10min，再取出立即放入预先喷好石墨的阴模中进行终锻成型获得终锻件，锻造方向沿模膛轴线向下。

对本实施例制成的终锻件进行力学性能检测，结果见表1，可以看出，其力学性能明显高于设计要求，证明该金属髋臼外杯闭式锻造方法可行且有效。

表1 本发明方法实施例制得髋臼外杯力学性能

Claims (10)

1.一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：其包括冲头和阴模，所述阴模上开有上下贯通的模膛，所述模膛包括由上至下依次同轴连通的导向筒、型腔和挤压口，所述型腔的形状与髋臼外杯的外形相适应；所述冲头的底面上设有由上至下同轴设置的导向部和成型部，所述导向部与所述导向筒间隙配合，所述成型部的形状与髋臼外杯的内形相适应。

2.根据权利要求1所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：所述导向筒的顶部沿周向加工有倒角。

3.根据权利要求1所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：所述导向部与所述导向筒的配合间隙为单面0.1mm~0.5mm。

4.根据权利要求3所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：所述阴模的导向拔模角为0.1°~1°。

5.根据权利要求1所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：所述导向筒高度为20mm~40mm。

6.根据权利要求1所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造模具，其特征在于：所述挤压口的直径为3mm~15mm，长度为5mm~30mm。

7.一种金属髋臼外杯闭式锻造方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1、下料，根据髋臼外杯体积计算所需棒料长度和直径，将医用钛合金棒料下料，并在棒料上下端面倒圆角，且圆角半径3mm~10mm，完成下料；

步骤2、喷涂，在棒料表面喷涂防氧化涂层；

步骤3、终锻成型，将权利要求1至6中任一项所述的锻造模具安装到电动螺旋压力机上，将步骤2中的棒料放入电炉中加热至钛合金锻造工艺温度，使棒料热透，再转入所述锻造模具中终锻成型获得终锻件。

8.根据权利要求7所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造方法，其特征在于：步骤2中喷涂防氧化涂层工艺为，将棒料加热至150℃~250℃后直接喷涂玻璃-陶瓷防氧化涂层，涂层厚度为0.02mm~0.20mm。

9.根据权利要求7所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造方法，其特征在于：棒料为Ti6Al4V合金，步骤3中将棒料放入电炉内加热至900℃~970℃，保温时间为10min~30min，取出立即放入预先喷好模具润滑剂的所述阴模中进行终锻成型。

10.根据权利要求7所述的一种金属髋臼外杯闭式锻造方法，其特征在于：所述模膛及所述冲头的预置热胀系数为1.0~1.1。

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