СПОСОБ ВЫСАДКИ УТОЛЩЕНИЯ НА ПРУТКОВОМ МАТЕРИАЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B21J5/08 A61C17/18 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к высадке в разъемных матрицах, и используется преимущественно в медицинской технике, а именно в операциях остеосинтеза при лечении переломов трубчатых костей.

Широко известны способы высадки при формообразовании головок крепежных изделий.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ высадки утолщения в разъемных матрицах [1]
Этот способ заключается в зажиме прутка в разъемных матрицах с зазором между ними, сближении их под действием силы удара, высадке и формообразовании утолщения в зоне деформации. При этом сила удара направлена прямолинейно, вдоль линии высадки, совпадающей с продольной осью прутка.

Известны также устройства для образования утолщения на длинномерных заготовках. Наиболее близким по своему назначению устройством, принятым в качестве прототипа, является устройство для высадки утолщения на прутковом материале [2]
В этом устройстве исполнительный механизм выполнен параллелограммным, в виде шарнирных стержней, шарнирных распорок и центрального стержня, а привод выполнен ударного действия, ось перемещения бойка которого перпендикулярна оси высадки и пересекает ее в месте формообразования на прутке.

Такой параллелограммный исполнительный механизм, включающий три пары шарнирных стержней с десятью шарнирами и центральным стержнем вместе с ударным бойком привода, последовательно расположенными на одной оси, усложняет конструкцию и придает устройству удлиненную форму с рукояткой на конце, что при удержании одной рукой создает значительную нагрузку на кисть.

Кроме того, подсоединенные концы кабеля вторичной обмотки трансформатора к полуформам на другом конце устройства приводят к необходимости еще одной рукоятки для поддержания его второй рукой. Поэтому для проведения необходимых манипуляций: введения прутка на линию высадки, его зажима в матрицах и освобождения необходима помощь ассистента.

Для обслуживания регулировочной гайки пружины бойка, расположенной в труднодоступном месте, внутри рукоятки, необходим специальный торцовый ключ, что также усложняет условия эксплуатации.

Техническим результатом, получаемым от использования способа высадки утолщения на прутковом материале и устройства для его нанесения, являются: упрощение конструкции, уменьшение размеров и улучшение условий эксплуатации устройства за счет изменения способа высадки и конструкции устройства для нанесения утолщения путем замены встречного перемещения матриц из прямолинейного на криволинейное с предварительным изгибом по дуге и восстановлением прямолинейности прутка под действием силы удара в процессе высадки утолщения.

Достигается это тем, что устройство для высадки утолщения на прутковом материале, включающее исполнительный механизм и привод, имеет кинематическую цепь исполнительного механизма, содержащую два плоских четырехзвенных механизма с тремя шарнирными и одной поступательной парами каждый, у которых одна шарнирная и поступательная пары являются общими, а звенья содержат два шарнирных стержня, крейцкопф и центральный стержень, с которым траверсы образуют шарниpную, а крейцкопф поступательную общие пары.

На фиг.1 изображен пруток 1 с утолщением 2 и опорной площадкой 3. Пруток 1 может быть круглого, квадратного и другого сечения, опорная площадка 3 - конусной, сферической и другой формы.

На фиг.2 представлена кинематическая схема устройства высадки утолщения на прутковом материале (боек изображен во взведенном положении, пусковой механизм на предохранителе). На фиг.3 представлена кинематическая цепь исполнительного механизма устройства для высадки утолщения на прутковом материале.

На фиг.4 представлен поперечный разрез детального решения устройства по линии высадки при конечном положении (оси эксцентриков условно вынесены в плоскость разреза).

На фиг. 5 условно изображены: пруток, траверсы и элементы матриц в начальном положении процесса высадки и формообразования утолщения на прутковом материале.

На фиг.6 изображен разрез детального решения зажатого прутка в матрицах в конечной стадии высадки и формообразования утолщения.

Устройство для высадки утолщения на прутковом материале (см.фиг.2) содержит исполнительный механизм, который состоит из двух траверс 4, 5 с общей шарнирной опорой 6, расположенной на центральном стержне 7, шарнирных стержней 8, 9, которые одними своими концами шарнирно соединены с траверсами 4, 5, а другими крейцкопфом 10. Подвижно посаженный на центральном стержне 7 крейцкопф 10, образующий с ним поступательную пару 11, постоянно поджат пружиной 12, действие которой направлено против силы удара бойка.

Привод устройства (см. фиг. 2) выполнен пружинным ударного действия и состоит из бойка 13 со стопорным гнездом 14 и рукояткой 15. Боек 13 подвижно посажен на центральном стержне 7 и поджат пружиной 16, второй торец которой упирается в регулировочную гайку 17. Зона действия бойка 13 и пружины 16 защищена цилиндрическим кожухом 18, который с одной стороны прикреплен к кронштейну 19, жестко соединенному с центральным стержнем 7, а другой подвижно опирается на пяту 20, жестко соединенную с крейцкопфом 10. Кожух 18 сверху имеет отверстие под стопорное гнездо 14, а снизу продольный паз 21, вдоль которого рукоятка 15 бойка 13 свободно перемещается и исключает возможность проворачивания его вокруг центрального стержня 7.

Спусковой механизм привода (см.фиг.2) расположен в полой рукоятке 22, закрепленной на кронштейне 19. Стопорная пластина 23, проходя сквозь прорезь рукоятки 22, на одном конце жестко соединена с ней, а на другом заканчивается стопором 24. В прорези рукоятки 22 стопорная пластина 23 снабжена пусковой кнопкой 25, а у стопора 24 поддерживается направляющей 26. Спусковой механизм снабжен предохранителем 27 и кнопкой 28.

Кинематическая цепь исполнительного механизма (см.фиг.3) состоит из двух одинаковых плоских четырехзвенных механизмов I и II, каждый из которых имеет три шарнирные 6, 6', 6" и одну поступательную 11 пары. Механизмы I и II, симметрично расположенные относительно друг друга, образуют шарниpную пару 6 и поступательную пару 11 общими, по одной на два механизма. Звенья механизмов I и II выполнены в виде траверс 4 и 5, шарнирных стержней 8 и 9, крейцкопфа 10 и центрального стержня 7. Рабочие механизмы (см. фиг.2 и 4), осуществляющие зажим прутка, высадку и формообразование, состоят из двух разъемных матриц с подвижными 29, 30 и неподвижными 31, 32 полуформами с пазами 33, расположенными по линии высадки, на сопрягаемых торцах которых имеются формующие лунки 34. Подвижные полуформы 29, 30 шарнирно посажены на платах 35, 36 и поджимаются эксцентриками 37, 38 с рукоятками 39, 40. Каждая пара подвижных и неподвижных матриц 29, 31 и 30, 32 образует зажимные ручки, продольные оси которых в процессе высадки и формообразования могут находиться под углом или совпадать с линией высадки.

Неподвижные полуформы 31, 32 жестко соединены с платами 35, 36 крепежных элементов (на чертежах не показаны) и имеют гнезда для подключения вторичной обмотки трансформатора.

Платы 35, 36 крепятся к опорным плитам 41, 42 через пластины 43, 44 и втулки 45, 46, выполненные из диэлектрического материала крепежными элементами, исключающими возможность электрического контакта между платами 35, 36 и опорными плитами 42, 41. Платы 35, 36, пластины 43, 44 и плиты 41, 42 имеют торцовые вырезы 47 для возможности боковой подачи пруткового материала на линию высадки.

Рабочие механизмы устройства жестко крепятся на свободных концах траверс 4, 5 за опорные плиты 41, 42 быстродействующими зажимами 48, 49, которые вместе с регулировочными упорами (на чертежах не показаны) обеспечивают регулировку величины угла α₁, необходимого для восстановления прямолинейности пруткового материала при высадке утолщения.

Регулирование зазора "а" между матрицами (см. фиг.2) рабочих механизмов, закрепленных на свободных концах траверс 4, 5, осуществляется регулировочной гайкой 50, которая через ползун 51 и распорки 52, 53 изменяет положение шарнирных стержней 8, 9, шарнирно соединенных с траверсами 4, 5. Величина зазора "а" изменяется от нуля при положении регулировочной гайки 50 в крайнем левом положении до максимума при крайнем правом ее положении.

Устройство по предлагаемому изобретению предусматривает высадку и формообразование утолщения на прутковом материале как в холодном состоянии, так и с нагревом его в зоне деформации. Для этого на неподвижных полуформах 31, 32 предусмотрены гнезда для подключения вторичной обмотки трансформатора и пластины 43, 44 с втулками 45, 46, изготовленные из диэлектрического материала, которые обеспечивают электрическую и тепловую изоляцию с остальными деталями и механизмами устройства. Способ высадки утолщения на прутковом материале в разъемных матрицах по предлагаемому изобретению поясняется на представленной схеме (см. фиг.5).

На схеме условно изображены сплошными и пунктирными линиями две траверсы с зажатым в матрицах прутком в начальной и конечной стадиях процесса высадки и формообразования утолщения при их встречном сближении под действием силы удара. Тонкой линией изображена траектория точек сопряжения А и В прямолинейных отрезков прутка с изогнутым по дуге радиусом R с центром в точке О. Размер L плечо приложения силы удара Р.

На схеме приняты следующие обозначения.

Зазор "а" расстояние между матрицами в точках сопряжения А, В и 2α - угол между ними в начале процесса высадки. Высота утолщения "b" расстояние между матрицами в точках сопряжения А₁, B₁ прямолинейных отрезков прутка с утолщением, 2Δα угол между ними в конце процесса высадки. 2Δα₁= 2α-2Δα углы поворота матриц и изгиба прутка при перемещении точек сопряжения по дугам и .

Процесс высадки утолщения на прутковом материале в разъемных матрицах осуществляется следующим образом. Прутковый материал с предварительным изгибом его в процессе зажима на угол 2α подается в разведенные матрицы до размера "а" и зажимается в них таким образом, чтобы зажим осуществлялся в точках сопряжения А и В.

При встречном сближении матриц, под действием силы удара, сопрягаемые точки А и В перемещаются по дугам , , соответствующему углу 2α₁= 2α-2Δα. Одновременно прямолинейные концы пруткового материала вместе с матрицами в процессе высадки и формообразования поворачиваются на такой же угол α₁.

Благодаря тому, что изгиб пруткового материала и угол поворота матриц находятся в одной плоскости, совмещены и равны между собой, осуществляется равномерная по диаметру высота утолщения и восстанавливается прямолинейность пруткового материала.

На фиг. 6 изображен пруток 1 с утолщением в матрицах 31, 32 в конечной стадии формообразования до соприкосновения сопрягаемых поверхностей. Диаметр утолщения D, в зависимости от величины зазора "а", поворотом регулировочной гайки 50 в одну или другую сторону, может изменяться от минимума D d до максимума D D₀, не нарушая прямолинейности прутка.

Устройство для высадки утолщения на прутковом материале работает следующим образом.

Перед началом работы устройства предусматриваются несколько подготовительных операций, настраивающих его на необходимый размер и сечение пруткового материала, а также диаметр утолщения и форму опорной площадки. Для этого пара рабочих механизмов собирается с необходимыми матрицами и регулируется упор (на чертежах не показано) для обеспечения на устройстве необходимой величины угла α₁ при креплении их быстродействующими зажимами 48, 49 на свободных концах траверс 4, 5.

Величина зазора "а", от которого зависит размер утолщения, устанавливается регулировочной гайкой 50. Контроль за размером зазора осуществляется визуально по шкале регулировочной гайки 50 (шкала и риска на чертеже не показаны).

Взведение бойка на исходную ударную позицию осуществляется перемещением рукоятки 15 вдоль паза 21 кожуха 18 до фиксации его стопором 24 в стопорном гнезде 14. Сила удара бойка 13 по пяте 20 регулируется вращением регулировочной гайки 17. Исключение возможности непреднамеренного срабатывания привода при нажатии кнопки 25 обеспечивается перемещением предохранителя 27 кнопкой 28 в крайнее правое положение. На этом подготовка устройства к работе заканчивается.

Предварительно согнутый прутковый материал в процессе зажима под углом 2α₁ через торцовые вырезы 47 подается на линию высадки и в пазах 33 между подвижными 29, 30 и неподвижными 31, 32 полуформами в необходимом месте зажимается эксцентриками 37, 38 поворотом рукояток 39, 40. Для прутка малого размера сечения и из мягкого материала с пределом текучести σ_т≅ 0,5 кгс/мм², изгиб производится непосредственно при закреплении в матрицах. После зажима прутка в одной матрице вручную он изгибается на угол 2α₁ и зажимается во второй матрице.

Для осуществления удара бойка 13 перед нажатием на пусковую кнопку 25 необходимо пусковой механизм снять с предохранителя. Это осуществляется перемещением кнопки 28 в крайнее левое положение, и предохранитель 27 освобождает стопорную пластину 23. После срабатывания привода сила удара бойка 13 передается от пяты 20 крейцкопфу 10 и через шарнирные стержни 8, 9 и траверсы 4, 5 к матрицам рабочих механизмов, где она концентрируется в зоне деформации прутка и происходит высадка утолщения и формообразование опорной площадки. Одновременно с высадкой происходит и восстановление прямолинейности прутка. После освобождения прутка эксцентриками 37, 38, выведения его с линии высадки и взведения бойка 13 на исходную ударную позицию устройство готово для повторного нанесения утолщения на прутке того же диаметра и получения опорной площадки аналогичной формы.

На прутковом материале из стали с пределом текучести σ_т> 0,5 кгс/мм², высадка утолщения и формообразования опорной площадки осуществляется с нагревом его в зоне деформации до температуры, при которой материал прутка приобретает пластичность, близкую к пластичности мягкого с пределом тягучести σ_т≈ 0,5 кгс/мм²,
В медицинской технике, в хирургии и травматологии, пруток круглого сечения диаметром от 1 до 2 мм из нержавеющей стали с чистой и гладкой поверхностью, предназначенной для остеосинтеза переломов конечностей, принято называть спицей. Поэтому в описании работы по предлагаемому способу и устройству используемый в медицинской технике вместо общего понятия "прутковый материал" будет употребляться конкретный термин спица.

В медицинской практике для осуществления остеосинтеза с применением наружных конструкций используются спицы с утолщением 2 и различной формой опорной площадки 3. Утолщение на спице еще часто наносится методом наплавки с применением драгоценных металлов и последующей механической обработкой.

Применение устройства и способа по предлагаемому изобретению не только исключает необходимость в трудоемкой предварительной подготовке утолщения на спице, но и позволит упростить конструкцию, уменьшить размеры и улучшить условия эксплуатации устройства.

В конкретном примере для максимального применяемого диаметра спицы d 2 мм из нержавеющей стали 20Х13 высадка утолщения возможна только с нагревом ее в зоне деформации до температуры ≈1200^oC, при которой предел текучести достигает σ_т(г)≈ 0,5 кгс/мм².. Предварительная подготовка устройства (см. фиг. 5) для высадки утолщения диаметром D 1,5d 1,5 x 2 3 мм и высотой b d 2 мм, необходимый зазор равен α= 3•d=3•2=6 мм..

При заданном радиусе R 60 мм длину дуги можно принять равной a 6 мм. Длина окружности с радиусом R 60 мм составит 2πR 2 x 3,14 x 60 376,8 мм, тогда из соотношения 376,8 360^o видно, что на 1 мм приходится около 1^o. В этом случае угол 2α с дугой 6 мм равен 2α≈ 6^°, a 2Δα с дугой ≈b 2 мм равно 2Δα≈2^°, следовательно, 2α₁=2α-2Δα 6^o 2^o 4^o, или α₁ 2^o.

При таких значениях диаметра спицы d 2 мм, зазора "а" 6 мм, суммарного угла изгиба 2α₁≈ 4^° и соотношения d:R 2:60 1:30, установка ее в матрицах устройства может осуществляться без предварительного изгиба, непосредственно в устройстве. После зажима спицы в одной матрице, вручную, в пределах упругой деформации или близкой к ней она изгибается на угол 2α₁= 4^° и зажимается во второй матрице.

Величина угла α₁ на устройстве обеспечивается креплением быстродействующими зажимами 48, 49 рабочих механизмов, предварительно настроенных на необходимый размер спицы. На практике необходимо 2 3 пары сменных рабочих механизмов. Быстрая смена рабочих механизмов удобна как для перехода на другой диаметр спицы, так и для поузловой стерилизации устройства. Для спиц меньшего диаметра и с такими же соотношениями его к диаметру утолщения D, зазору "а", высоте "b" и при том же радиусе R условия высадки утолщения будут еще более благоприятными.

Нагрев спицы после зажима ее в матрицах в необходимом месте для высадки утолщения производится с помощью трансформатора, реле времени, сигнальной лампочки и ножной педали с выключателем (на чертеже не показаны), которые подключаются к электросети. При включении выключателя ножной педалью загорается сигнальная лампочка, включаются трансформатор и реле времени. После достижения необходимой температуры для нагрева спицы в зоне деформации, выдержкой времени около 5 6 сек реле времени отключает трансформатор и сигнальную лампочку.

Визуальный контроль времени нагрева осуществляется по включенной сигнальной лампочке, после чего нажатием на пусковую кнопку 25 включается привод и на спице производится высадка утолщения, формообразование опорной площадки с одновременным восстановлением ее прямолинейности. Затем рукоятками 39, 40 эксцентриков 37, 38 спица освобождается от зажима матрицами и на этом процесс высадки утолщения и формообразования опорной площадки закончен.

Как показывает анализ конкретного примера, использование технического решения на предлагаемом способе и устройстве для высадки утолщения и формообразования опорной площадки на спице не представляет больших дополнительных неудобств в работе, а положительный результат очевиден.

Таким образом, с помощью предлагаемых способов высадки утолщения на прутковом материале и устройства для его нанесения упрощается конструкция исполнительного механизма (вместо трех пар шарнирных стержней и десяти шарниров остаются одна пара шарнирных стержней, пять шарниров и одна поступательная пара), уменьшается длина (за счет совмещения центрального стержня и привода) и улучшаются условия эксплуатации (возможность держать и управлять устройством одной рукой, улучшилась доступность к регулировочным гайкам). При этом сохраняется возможность получения утолщения и необходимость формы упорной площадки при поворотных процессах с гарантийными формами и размерами.

Кроме того, способ и устройство по предлагаемому изобретению позволяют при меньших его размерах получить большую силу удара на разъемных матрицах за счет изменения соотношения плеча L к радиусу R, а также позволяют использовать силовую часть устройства, исполнительный механизм, с возможностью регулирования зазора и привод с регулируемой силой удара как многофункциональный модуль для выполнения различных работ.

Получение утолщения и формообразования опорной площадки по предлагаемому изобретению подтверждено экспериментально. В настоящее время разработаны рабочие чертежи и изготавливается опытный образец с использованием предлагаемых технических решений.

Использование: обработка металлов давлением, в частности высадка в разъемных матрицах преимущественно в медицинской технике, а именно в операциях остеосинтеза при лечении переломов трубчатых костей. Способ высадки утолщения на прутковом материале включает зажим пруткового материала в разъемных матрицах и взаимное их сближение под действием силы удара. В процессе зажима осуществляется изгиб прутка по дуге в зоне деформации. Последующее восстановление прямолинейности прутка происходит в процессе высадки утолщения. При этом угол изгиба пруткового материала и суммарный угол поворота разъемных матриц находятся в одной плоскости, совмещены и равны между собой. В устройстве для высадки утолщения на прутковом материале исполнительный механизм представляет собой кинематическую цепь, состоящую из двух плоских многозвенных механизмов, звенья механизмов выполнены в виде двух траверс, шарнирных стержней и центрального стержня. При этом шарнирные стержни одними своими концами шарнирно связаны с траверсами, а другими - с крейцкопфом. Привод выполнен ударного действия и соосно расположен на центральном стержне. Ось хода бойка привода проходит через место формообразования утолщения. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ высадки утолщения из прутковом материала, включающий зажим пруткового материала в расположенных с зазором одна относительно другой разъемных матрицах, встречное их сближение под действием силы удара, высадку и формообразование утолщения в зоне деформации, отличающийся тем, что в процессе зажима пруткового материала в разъемных матрицах осуществляют его изгиб по дуге окружности на участке, ограниченном зоной деформации, за счет расположения продольной оси зажимного ручья матрицы, через который проходит прутковый материал, под углом относительно оси его подачи, а в процессе высадки и формообразования утолщения восстанавливают прямолинейность пруткового материала за счет встречного сближения разъемных матриц по дуге окружности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что углы изгиба продольной оси пруткового материала и углы поворота продольной оси зажимного ручья разъемных матриц находятся в одной плоскости, совмещены и равны между собой. 3. Устройство для высадки утолщения на прутковом материале, содержащее исполнительный механизм в виде кинематической цепи, состоящей из двух одинаковых, симметрично расположенных друг относительно друга плоских многозвенных механизмов, у которых звенья выполнены в виде двух траверс и связанных с ними шарнирных стержней, и привод, выполненный ударного действия, ось хода бойка которого проходит через место формообразования утолщения, отличающееся тем, что кинематическая цепь исполнительного механизма содержит два плоских четырехзвенных механизма с тремя шарнирными и одной поступательной парами каждый, у которых одна шарнирная и поступательная пары являются общими, а звенья содержат два шарнирных стержня, крейцкопф и центральный стержень, с которым траверсы образуют шарнирную, а крейцкопф поступательную общие пары.