一种小型全自动纯钛义齿支架铸造装置

王波　张国靖　焦洋洋　郭楠

摘要：针对齿科行业纯钛义齿支架的低成本高精度制造，设计了一种小型真空差压式纯钛铸造装置，介绍了义齿支架铸造装置的真空差压式的铸造原理、紧凑可靠的铸造室结构、全自动控制的铸造工艺等。以期实现纯钛义齿支架的高精度制造，为复杂结构齿科类薄壁零件提供一种高效的加工方式。

关键词：义齿;铸造;支架;差压

中图分类号：R783.1                                 文献标识码：A                                 DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.19.001

文章编号：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，高熔点金属材料在义齿修复领域应用普及，在修补损伤或脱落的牙齿时，一般采用高熔点金属钛、锆、铂等或其合金作为修补材料，这些材料中，纯钛具有强度高、重量轻、耐腐蚀、较高的生物相容性以及价格等优势，在齿科行业中得到了广泛的应用。本文设计了一种基于真空差压工艺的小型全自动义齿纯钛支架的铸造装置，具有结构小巧紧凑、全自动控制、安全可靠、性价比高等优点，现报告如下。

1装置设计背景

有研究对钴铬合金及纯钛义齿支架在牙列缺损患者修复中的临床应用效果进行了评价，通过比较患者口腔炎发生率、美观满意度、舒适度等指标，得出纯钛义齿支架在牙列缺损患者中的修复效果比较好[1]。铸造支架活动义齿能明显降低牙周袋深度、出血指数以及菌斑指数[2]，与传统钴铬合金铸造的支架义齿相比，纯钛铸造支架义齿的临床修复效果更佳[3]。而整体铸造支架式可摘局部义齿添加人工牙方法具有固定良好，阻碍咀嚼功能小，不易引起过敏反应等优点[4]。

数字化制造金属支架技术虽然摆脱了各种人工作业，但仍存在着材料加工成本高、扫描精度对加工精度影响较大、金属材料各向异性影响性能等问题。采用三维扫描技术对支架数据进行获取，数字化设计联合快速成型技术进行修复体制造，可大幅度降低人力和时间成本，减少患者就诊次数[5]。陈博等[6]采用口外数字化扫描系统对不同模型多次扫描获得义齿支架数字化模型，其精密度高，稳定性好，能够满足数字化可摘局部义齿支架设计及制作要求。有研究采用不同浇注温度对镁合金机械外壳进行了差压铸造试验，并进行了显微组织及力学性能的测试分析，结果表明差压铸造可获得力学性能较佳的制件[7]。佘瑞平等[8]的研究显示，采用差压铸造工艺生产铸件相对于普通重力铸造铸件，显著提升了铸件的充型能力、细化了内部组织并大幅提升力学性能，实现装备轻量化。

采用纯钛等高熔点金属材料进行支架修复体的铸造时，其一般工艺是将耐火材料制成具有义齿支架形状空腔的铸模，把熔融狀态的金属注入该空腔形成铸件，破坏铸模并取出铸件。对于义齿支架等复杂薄壁零件，完成铸造的方法主要有离心加压铸造和真空差压式铸造两种方法。离心加压铸造是在金属块熔化后，快速旋转铸造室，利用离心作用把熔化后的液态金属甩入铸模内的空腔，同时，为使金属更好地充满空腔，在铸造室熔化腔内加高压氩气，但此离心装置体较大，结构复杂。真空压差式铸造是将熔化后的金属在压力差作用下将液态金属压入铸模内，从而实现快速高效铸造，具有致密度更高、机械性能更好等优点。目前差压式铸造是在铸造室内布置坩埚和铸模，金属熔化后，位于坩埚下端的顶杆向上顶起坩埚使液态金属倒入铸模并施加高压气体使之成型，这种结构在顶杆顶起坩埚时，其结合面容易起弧从而损伤坩埚表面。根据上述研究背景，设计了一种纯钛义齿支架铸造装置。

2义齿支架铸造装置原理及方案

本研究采用真空差压式铸造原理设计了一种纯钛义齿支架铸造装置，其工艺原理采用了真空和压力的综合作用，将熔融状态下的金属在真空中浇注至模具型腔，液态金属倒入型腔后充入高压气体将型腔充满，此铸造原理特别适用于形状复杂且有细小特征的零件。

义齿支架铸造装置主要由机械系统、控制系统以及气路系统组成，其中机械系统包括铸造室及其内部结构、装置外壳、铸造室旋转机构、辅助电气安装板等;控制系统包括直流电焊机、步进电机、电源、PLC、电磁阀等硬件以及铸造动作控制软件;气路系统包括真空气路、低压气路、高压气路以及相应的真空泵、压力阀、管路等元件。

图1为铸造室结构示意图，整个铸造过程在密闭的9铸造室中完成，铸造室中由结构件1坩埚座、2坩埚、3纯钛块、4钨针、5铸模、6、铸模支承、7转轴中心等组成。1坩埚座前端放置2坩埚，后端由阳极轴固定于9铸造室后壁的内孔上，4鎢针作为阴极由阴极轴也固定在9铸造室后壁的内孔上，阴阳两电极轴接电焊机电缆并均与铸造室后壁之间安装绝缘陶瓷套以防铸造室导电。3纯钛块置于2坩埚上，调节4钨针长度，使钨针尖端与纯钛块上表面之间的距离能够起弧（一般设置为3 mm）。5铸模置于6铸模支撑上，一方面，调节铸模支撑的高度，使坩埚倾倒液体口与8铸模成型腔口相对应，另一方面，铸模支撑上端设计一带压缩弹簧的铸模顶紧机构，顶杆前端顶触在铸模上，通过压缩弹簧将铸模向坩埚方向压紧，使9铸造室在旋转的过程中能够保持铸模与坩埚的相对位置不发生变化。

铸造室驱动机构设置在铸造室外，为使坩埚和铸模可随熔铸室同步旋转且熔化钛液顺利流入铸圈，在铸造室后壁中心处安装一个旋转轴，步进电机在皮带轮减速作用下使铸造室顺时针旋转一定角度，旋转轴为中空管状结构，旋转轴与连通压力气体管路的旋转接头相连，压力气体就可以通过此旋转轴对铸造室进行充放气体，旋转接头解决了静态的气体管路与动态的转轴之间的密封问题。另外，为了过滤铸造室内因铸造而产生的固体颗粒物，在铸造室后壁旋转轴端部设置压力气体过滤机构，由端部向外依次设置一层细过滤网、垫板、粗过滤网和压盖。

3义齿支架铸造试验及分析

义齿支架铸造装置样机及装置铸造室见图2、图3，其中，氩气瓶和真空泵外接于义齿支架铸造装置。工作时，首先对铸造室抽真空，然后充入低压氩气，以保证铸造室内阴阳两电极加热纯钛块使其安全熔化，熔化结束时对铸造室抽真空，并迅速旋转铸造室，使纯钛液在重力作用下流入铸模成型空腔，再向铸造室内冲入高压氩气，在压力差的作用下把铸模成型空腔充满，铸造结束后，高压氩气排气，铸造室回位，敲碎铸模取出铸件。

齿支架铸造的气路系统通过中空旋转轴与铸造室相连，气路系统的工作示意图见图4，将0.7～0.8 MPa的氩气通过高压减压阀 53把压力降低至 0.3～0.45 MPa;高压减压阀53出气端接安全阀55、高压电磁阀54、低压减压阀56进气端，且三者并联;低压减压阀56把压力降低到0.05～0.2 MPa，低压减压阀56出气端接低压电磁阀57的进气端;低压电磁阀57的出气端、放气电磁阀58的进气端、压力传感器59、过滤器52的进气端、高压电磁阀54的出气端通过管道并联后与旋转接头60连接;过滤器52的出气端与真空电磁阀 51 的进气端相连接，真空电磁阀 51 的出气端与真空泵50相连接，过滤器52用于保护真空电磁阀51和真空泵50;过滤器52与转轴24进气端的过滤机构形成多级过滤，对真空泵 50 和真空电磁阀51更好地保护。

气路系统在工作时，为尽可能的减少铸造室中的空气，首先通过PLC控制真空电磁阀开启，其余电磁阀关闭，对铸造室进行抽真空;然后停止抽真空并关闭真空电磁阀，打开低压电磁阀对铸造室冲入低压氩气，持续数秒后放气;抽真空-充低压-放气的过程重复三次;再然后，充入低压氩气，铸造室在低压氩气环境下，启动直流电焊机，铸造室内的阳极和钨极两电极之间开始起弧熔化钛块，钛块完全熔化后，关闭低压电磁阀，打开真空电磁阀，在铸造室内迅速抽真空，步进电机带动驱动装置旋转铸造室，使坩埚中的钛液流入铸模成型空腔，数秒后开启高压电磁阀充入高压氩气把钛液压入铸模成型空腔;最后，开启放气电磁阀放出高压氩气保持一定时间后，各元件回到初始位置，钛液通过重力及高压压力注满铸模型腔，保证了铸件的质量，作业全过程自动完成。图5为本铸造试验完成的上颚板义齿支架，从图中可以看出，钛液完全充满铸模型腔，卡环和网板均清晰可见，无缺损现象。

4结论

本研究设计了一种真空差压式纯钛全自动铸造装置，旋转整个铸造室将钛液流入铸模，浇注过程中各部件之间没有相对移动，避免了现有技术中在浇注过程中出现起弧，从而损坏设备的现象发生，阴极轴和阳极轴与外部供电装置之间均通过绝缘套、电缆连接，更进一步提高了装置的安全性;研制的铸造装置具有结构简单、体积小巧、全自动控制、安全可靠、性价比高等优点，在义齿加工行业有重要的应用价值。

参考文献：

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