王波　張國靖　焦洋洋　郭楠

摘要：針對齒科行業(yè)純鈦義齒支架的低成本高精度制造，設(shè)計了一種小型真空差壓式純鈦鑄造裝置，介紹了義齒支架鑄造裝置的真空差壓式的鑄造原理、緊湊可靠的鑄造室結(jié)構(gòu)、全自動控制的鑄造工藝等。以期實(shí)現(xiàn)純鈦義齒支架的高精度制造，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)齒科類薄壁零件提供一種高效的加工方式。

關(guān)鍵詞：義齒;鑄造;支架;差壓

中圖分類號：R783.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.19.001

文章編號：1006-1959（2019）19-0001-03

Small Automatic Pure Titanium Denture Bracket Casting Device

WANG Bo1，ZHANG Guo-jing1，JIAO Yang-yang1，GUO Nan2

（1.China Steel Group Luoyang Refractory Materials Research Institute Co.Ltd./Dental Equipment Factory，

Luoyang 471000，Henan，China;

2.Henan University of Science and Technology/Henan Key Laboratory of Mechanical Design and Transmission System，

Luoyang 471000，Henan，China）

Abstract：Aiming at the low cost and high precision manufacturing of pure titanium denture bracket in dental industry， a small vacuum differential pressure pure titanium casting device was designed. The vacuum differential pressure casting principle of the denture bracket casting device， the compact and reliable casting chamber structure， and the fully automatic casting process are introduced.In order to achieve high-precision manufacturing of pure titanium denture brackets， it provides an efficient processing method for complex structural dental thin-walled parts.

Key words：Denture;Casting;Stent;Differential pressure

目前，高熔點(diǎn)金屬材料在義齒修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用普及，在修補(bǔ)損傷或脫落的牙齒時，一般采用高熔點(diǎn)金屬鈦、鋯、鉑等或其合金作為修補(bǔ)材料，這些材料中，純鈦具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、較高的生物相容性以及價格等優(yōu)勢，在齒科行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于真空差壓工藝的小型全自動義齒純鈦支架的鑄造裝置，具有結(jié)構(gòu)小巧緊湊、全自動控制、安全可靠、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)報告如下。

1裝置設(shè)計背景

有研究對鈷鉻合金及純鈦義齒支架在牙列缺損患者修復(fù)中的臨床應(yīng)用效果進(jìn)行了評價，通過比較患者口腔炎發(fā)生率、美觀滿意度、舒適度等指標(biāo)，得出純鈦義齒支架在牙列缺損患者中的修復(fù)效果比較好[1]。鑄造支架活動義齒能明顯降低牙周袋深度、出血指數(shù)以及菌斑指數(shù)[2]，與傳統(tǒng)鈷鉻合金鑄造的支架義齒相比，純鈦鑄造支架義齒的臨床修復(fù)效果更佳[3]。而整體鑄造支架式可摘局部義齒添加人工牙方法具有固定良好，阻礙咀嚼功能小，不易引起過敏反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。

數(shù)字化制造金屬支架技術(shù)雖然擺脫了各種人工作業(yè)，但仍存在著材料加工成本高、掃描精度對加工精度影響較大、金屬材料各向異性影響性能等問題。采用三維掃描技術(shù)對支架數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，數(shù)字化設(shè)計聯(lián)合快速成型技術(shù)進(jìn)行修復(fù)體制造，可大幅度降低人力和時間成本，減少患者就診次數(shù)[5]。陳博等[6]采用口外數(shù)字化掃描系統(tǒng)對不同模型多次掃描獲得義齒支架數(shù)字化模型，其精密度高，穩(wěn)定性好，能夠滿足數(shù)字化可摘局部義齒支架設(shè)計及制作要求。有研究采用不同澆注溫度對鎂合金機(jī)械外殼進(jìn)行了差壓鑄造試驗，并進(jìn)行了顯微組織及力學(xué)性能的測試分析，結(jié)果表明差壓鑄造可獲得力學(xué)性能較佳的制件[7]。佘瑞平等[8]的研究顯示，采用差壓鑄造工藝生產(chǎn)鑄件相對于普通重力鑄造鑄件，顯著提升了鑄件的充型能力、細(xì)化了內(nèi)部組織并大幅提升力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)裝備輕量化。

采用純鈦等高熔點(diǎn)金屬材料進(jìn)行支架修復(fù)體的鑄造時，其一般工藝是將耐火材料制成具有義齒支架形狀空腔的鑄模，把熔融狀態(tài)的金屬注入該空腔形成鑄件，破壞鑄模并取出鑄件。對于義齒支架等復(fù)雜薄壁零件，完成鑄造的方法主要有離心加壓鑄造和真空差壓式鑄造兩種方法。離心加壓鑄造是在金屬塊熔化后，快速旋轉(zhuǎn)鑄造室，利用離心作用把熔化后的液態(tài)金屬甩入鑄模內(nèi)的空腔，同時，為使金屬更好地充滿空腔，在鑄造室熔化腔內(nèi)加高壓氬氣，但此離心裝置體較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。真空壓差式鑄造是將熔化后的金屬在壓力差作用下將液態(tài)金屬壓入鑄模內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)快速高效鑄造，具有致密度更高、機(jī)械性能更好等優(yōu)點(diǎn)。目前差壓式鑄造是在鑄造室內(nèi)布置坩堝和鑄模，金屬熔化后，位于坩堝下端的頂桿向上頂起坩堝使液態(tài)金屬倒入鑄模并施加高壓氣體使之成型，這種結(jié)構(gòu)在頂桿頂起坩堝時，其結(jié)合面容易起弧從而損傷坩堝表面。根據(jù)上述研究背景，設(shè)計了一種純鈦義齒支架鑄造裝置。

2義齒支架鑄造裝置原理及方案

本研究采用真空差壓式鑄造原理設(shè)計了一種純鈦義齒支架鑄造裝置，其工藝原理采用了真空和壓力的綜合作用，將熔融狀態(tài)下的金屬在真空中澆注至模具型腔，液態(tài)金屬倒入型腔后充入高壓氣體將型腔充滿，此鑄造原理特別適用于形狀復(fù)雜且有細(xì)小特征的零件。

義齒支架鑄造裝置主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及氣路系統(tǒng)組成，其中機(jī)械系統(tǒng)包括鑄造室及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝置外殼、鑄造室旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助電氣安裝板等;控制系統(tǒng)包括直流電焊機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電源、PLC、電磁閥等硬件以及鑄造動作控制軟件;氣路系統(tǒng)包括真空氣路、低壓氣路、高壓氣路以及相應(yīng)的真空泵、壓力閥、管路等元件。

圖1為鑄造室結(jié)構(gòu)示意圖，整個鑄造過程在密閉的9鑄造室中完成，鑄造室中由結(jié)構(gòu)件1坩堝座、2坩堝、3純鈦塊、4鎢針、5鑄模、6、鑄模支承、7轉(zhuǎn)軸中心等組成。1坩堝座前端放置2坩堝，后端由陽極軸固定于9鑄造室后壁的內(nèi)孔上，4鎢針作為陰極由陰極軸也固定在9鑄造室后壁的內(nèi)孔上，陰陽兩電極軸接電焊機(jī)電纜并均與鑄造室后壁之間安裝絕緣陶瓷套以防鑄造室導(dǎo)電。3純鈦塊置于2坩堝上，調(diào)節(jié)4鎢針長度，使鎢針尖端與純鈦塊上表面之間的距離能夠起?。ㄒ话阍O(shè)置為3 mm）。5鑄模置于6鑄模支撐上，一方面，調(diào)節(jié)鑄模支撐的高度，使坩堝傾倒液體口與8鑄模成型腔口相對應(yīng)，另一方面，鑄模支撐上端設(shè)計一帶壓縮彈簧的鑄模頂緊機(jī)構(gòu)，頂桿前端頂觸在鑄模上，通過壓縮彈簧將鑄模向坩堝方向壓緊，使9鑄造室在旋轉(zhuǎn)的過程中能夠保持鑄模與坩堝的相對位置不發(fā)生變化。

鑄造室驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)置在鑄造室外，為使坩堝和鑄?？呻S熔鑄室同步旋轉(zhuǎn)且熔化鈦液順利流入鑄圈，在鑄造室后壁中心處安裝一個旋轉(zhuǎn)軸，步進(jìn)電機(jī)在皮帶輪減速作用下使鑄造室順時針旋轉(zhuǎn)一定角度，旋轉(zhuǎn)軸為中空管狀結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸與連通壓力氣體管路的旋轉(zhuǎn)接頭相連，壓力氣體就可以通過此旋轉(zhuǎn)軸對鑄造室進(jìn)行充放氣體，旋轉(zhuǎn)接頭解決了靜態(tài)的氣體管路與動態(tài)的轉(zhuǎn)軸之間的密封問題。另外，為了過濾鑄造室內(nèi)因鑄造而產(chǎn)生的固體顆粒物，在鑄造室后壁旋轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置壓力氣體過濾機(jī)構(gòu)，由端部向外依次設(shè)置一層細(xì)過濾網(wǎng)、墊板、粗過濾網(wǎng)和壓蓋。

3義齒支架鑄造試驗及分析

義齒支架鑄造裝置樣機(jī)及裝置鑄造室見圖2、圖3，其中，氬氣瓶和真空泵外接于義齒支架鑄造裝置。工作時，首先對鑄造室抽真空，然后充入低壓氬氣，以保證鑄造室內(nèi)陰陽兩電極加熱純鈦塊使其安全熔化，熔化結(jié)束時對鑄造室抽真空，并迅速旋轉(zhuǎn)鑄造室，使純鈦液在重力作用下流入鑄模成型空腔，再向鑄造室內(nèi)沖入高壓氬氣，在壓力差的作用下把鑄模成型空腔充滿，鑄造結(jié)束后，高壓氬氣排氣，鑄造室回位，敲碎鑄模取出鑄件。

齒支架鑄造的氣路系統(tǒng)通過中空旋轉(zhuǎn)軸與鑄造室相連，氣路系統(tǒng)的工作示意圖見圖4，將0.7～0.8 MPa的氬氣通過高壓減壓閥 53把壓力降低至 0.3～0.45 MPa;高壓減壓閥53出氣端接安全閥55、高壓電磁閥54、低壓減壓閥56進(jìn)氣端，且三者并聯(lián);低壓減壓閥56把壓力降低到0.05～0.2 MPa，低壓減壓閥56出氣端接低壓電磁閥57的進(jìn)氣端;低壓電磁閥57的出氣端、放氣電磁閥58的進(jìn)氣端、壓力傳感器59、過濾器52的進(jìn)氣端、高壓電磁閥54的出氣端通過管道并聯(lián)后與旋轉(zhuǎn)接頭60連接;過濾器52的出氣端與真空電磁閥 51 的進(jìn)氣端相連接，真空電磁閥 51 的出氣端與真空泵50相連接，過濾器52用于保護(hù)真空電磁閥51和真空泵50;過濾器52與轉(zhuǎn)軸24進(jìn)氣端的過濾機(jī)構(gòu)形成多級過濾，對真空泵 50 和真空電磁閥51更好地保護(hù)。

氣路系統(tǒng)在工作時，為盡可能的減少鑄造室中的空氣，首先通過PLC控制真空電磁閥開啟，其余電磁閥關(guān)閉，對鑄造室進(jìn)行抽真空;然后停止抽真空并關(guān)閉真空電磁閥，打開低壓電磁閥對鑄造室沖入低壓氬氣，持續(xù)數(shù)秒后放氣;抽真空-充低壓-放氣的過程重復(fù)三次;再然后，充入低壓氬氣，鑄造室在低壓氬氣環(huán)境下，啟動直流電焊機(jī)，鑄造室內(nèi)的陽極和鎢極兩電極之間開始起弧熔化鈦塊，鈦塊完全熔化后，關(guān)閉低壓電磁閥，打開真空電磁閥，在鑄造室內(nèi)迅速抽真空，步進(jìn)電機(jī)帶動驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)鑄造室，使坩堝中的鈦液流入鑄模成型空腔，數(shù)秒后開啟高壓電磁閥充入高壓氬氣把鈦液壓入鑄模成型空腔;最后，開啟放氣電磁閥放出高壓氬氣保持一定時間后，各元件回到初始位置，鈦液通過重力及高壓壓力注滿鑄模型腔，保證了鑄件的質(zhì)量，作業(yè)全過程自動完成。圖5為本鑄造試驗完成的上顎板義齒支架，從圖中可以看出，鈦液完全充滿鑄模型腔，卡環(huán)和網(wǎng)板均清晰可見，無缺損現(xiàn)象。

4結(jié)論

本研究設(shè)計了一種真空差壓式純鈦全自動鑄造裝置，旋轉(zhuǎn)整個鑄造室將鈦液流入鑄模，澆注過程中各部件之間沒有相對移動，避免了現(xiàn)有技術(shù)中在澆注過程中出現(xiàn)起弧，從而損壞設(shè)備的現(xiàn)象發(fā)生，陰極軸和陽極軸與外部供電裝置之間均通過絕緣套、電纜連接，更進(jìn)一步提高了裝置的安全性;研制的鑄造裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、全自動控制、安全可靠、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，在義齒加工行業(yè)有重要的應(yīng)用價值。

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