钛医疗种植体的加工 - 文章

钛医疗种植体的加工

作者：James Benes

欢迎访问e展厅
展厅 8	有色金属展厅铝/铝合金, 镁/镁合金, 钛/钛合金, 铜/铜合金, 镍/镍合金, ...

医疗装置制造商面临诸多棘手的挑战。他们的客户要求使用难于加工的材料，例如钛，生产出微小的、更复杂的零件而且要求非常精密。最重要的是他们必须按严格的规章操作，需要符合多方面的、严密的文件要求。

矫形装置的设计需要符合骨骼和关节的复杂形状，因而这些零件的加工也很复杂。从棒料加工出来的这些装置，需要切掉大量的材料，因而由于许多材料的切削性能指数低，使工序很昂贵。所以，一些零件铸造成接近零件的最终形状，这经常需要复杂且昂贵的夹具。另一个加工复杂性的问题是大多数装置物需要严格的公差——0.002英寸或更小。

由于这些压力，引出新技术帮助制造医疗零件的车间应对竞争。Agile的12轴车床、新等级的刀片和创新的回转法螺纹加工机能生产这些复杂零件，精度非常高；电火花加工中的许多创新，使高质量零件的生产更快，消除了许多老加工技术中固有的问题。

医疗装置特别精密

钛的问题

不锈钢与钛是医疗植入物用得最多的材料。不锈钢通常用于不是永久性置入体内的种植体。钛通常宁愿用于医疗种植体，是由于它的重量轻、强度高及其生物相容性。另外，钛种植体可用于磁共振成像和计算层析X射线摄影法成像诊断程序，因而，种植体植入后不会影响病人进行这些诊断程序。

钛6AL-4V ELI是用于制造胯关节、接骨螺钉、膝关节、板形骨或器官、假牙和外科装置的标准材料。但是，钴铬合金由于其坚硬、更紧密的粒度和比钛更洁净，会越来越经常使用。

加工钛合金比加工钢所需的切削力只略微大一点，但是，钛合金的冶金特性使其比相当硬度的钢更难于加工。

钛有一种加工硬化性，这种特性消除了切削刀具前面的固结金属(卷边)。这有助于加大加工中的剪切角，因而形成薄的切屑，与切削刀具表面在相当小的面积上接触。由于这加工硬化性，在刀具与工件运动接触中，进给不应停止。这样在加工中产生的大的支承力，结合在接触区由切屑所产生的摩擦力，导致在刀具局部区热量大大增加。切削钛所产生的热量，不会很快消散，因为它是不良导体。因此，大部分热量集中在切削刃和刀具表面。

大的承受力和热量，在切削刃附近形成月牙洼，导致刀具迅速损坏。更糟的是，钛合金在刀具的工作温度下，有很强烈的倾向与刀具中的材料熔合成合金或再起化学变化，还有一种趋势是当切屑黏结到刀具切削刃上时，导致刀具表面损伤。

当刀具开始磨损时，这些困难会加倍，因而，用于加工钛及其合金的刀具应该认真监视，确保刀刃锋利，磨钝前要进行更换。加工钛及其合金的经验是，如果在加工过程中，见到任何变化，就应该立即换刀，因为变化意味着刀具要变钝了。

另一个保持刀具锋利的原因是，当用磨损或损坏的刀具切削时，钛可能导致着火。当燃烧时，金属产生氧，因而火会自燃。所以，许多加工钛的车间不报火警，他们在机床上装备灭火系统。钛的弹性模数相当低，比钢具有更高弹性，因而在加工时会趋向于偏离切削刀具，除非要保持重切削或用作适当的支持。细长的零件在刀具压力下，趋向于偏转，导致刀颤、刀具磨擦和工差的问题。另外，整个系统的刚性很重要，要使用锋利、正确形状的刀具。

12轴控制意味着更少装卸工件

在医疗行业中，特别迫切需要降低生产复杂零件的成本。这就导致产生先进的、有12个轴运动的机床，能够以任何空间包络，全部定位，同时，增加一次装夹的加工工序数目，不用重新定位或装卸。

例如，Tornos Technologies US Corp.(www.tornos.com) 生产的12轴车削中心，一次装夹，所有12 轴联动，生产复杂零件。除了加工复杂零件，机床还提供精密的精度和好的表面光洁度。Tornos 的 2000系列车削中心的控制系统，配合软件，能在Windows PC上运行复杂零件的程序。软件编写使控制系统的中央时钟用作电子凸轮，模拟传统的、运行凸轮的机床。

Tornos12轴车削中心有带中央时钟
——电子凸轮轴——虚拟电子凸轮
同时控制所有轴

轴的路径通过数据处理来计算，由控制系统储存成数据表。每个轴有它自己的控制芯片(类似于“电子凸轮”)，只储存它的刀具路径表，即在1或2轴中的运动顺序。时钟信号发生器每8毫秒读取和执行一步。一个数据表用于控制刀具路径轴，另一个控制主轴速度、转动和停止，第3个用于机床功能。每个零件的数据表是离线编程。

中央时钟同步多个，单个的刀具路径。在使用凸轮的机床中的圆周在360?内。在Tornos的机床上，用存储的程序代替凸轮，消除了机床上物理角度限制。控制系统并行地读取数据，不是一次一个地读，因而机床能有4把刀具同时切削。

车削刀片为了提高生产率，降低刀具成本，山特维克(Sandvik Coromant)(www.coromant..sandvik.com/us) 最近推出一系列车削胯关节用的圆刀片。当用于外部车削球状和窝状胯关节中的球状骨臼时，该公司指出，在优化粗切工序直接从铸件加工时，使用这些刀具可以提供安全和生产率的平衡。

在粗切应用中，这种刀片的圆形提供强的切削刃，防止过度的磨损凹口，因而刀具的变化较小。因为这些刀片加工产生的温度较低，所以操作者可以提高进给和速度，以提高生产率。该公司也提供带正的、D型刀片的刀柄，用于精车和球形车削。当接近加工部位受到限制时，也可用其进行内部车削。

Sandvik Coromant的圆形刀片适合于该公司的CoroTum 107镗杆及其可达到正确切刃中心高度的EasyFix方法。

该公司指出，圆刀片和D型刀适于加工钛和钴铬种植体。当用圆刀片加工钴铬时，该公司推荐的牌号GC1030、GC1105级是D型刀片和钴铬的最佳等级；当用圆形和D型两种刀片加工钛时，H13A级达到最佳效果。

回转法加工螺纹为了使外科医师使用更方便，医疗零件越来越复杂。但是，这复杂性需要新的装置，用于特殊的车削和铣削工序，产生所需的复杂形状。例如，Tornos 巳经设计了一种新的回转法加工螺纹的设备，用来加工一些接骨螺钉的大螺旋角。

不像切螺纹和攻丝，回转法加工螺纹产生干净的轮廓，不带毛刺。回转法加工螺纹可以用于外部切螺纹和内部攻丝。这工序在一台自动车床上进行，需要主轴转速30,000转/分。

当内螺纹攻丝时，主轴轴线必须平行于被加工零件运转。内部回转过程比传统攻丝快60%。另外，刀具使用寿命较长，Tornos介绍，可加工2500个零件，刀具不会损坏。切削速度高，因而加工时间短。没有毛刺和残留切屑，螺纹切削的深度可以大于螺纹直径的3倍。甚至于能加工到盲孔的底部。

对于外部螺纹，装到车床尾端的一个装置，根据被加工零件螺旋角旋转和倾斜。加工是由一个球形刀具完成的，该刀具包括3把与被加工螺纹截面相同的刀。驱动用回转法加工螺纹的刀具的主轴，以高速旋转(12,000转/分)，同时零件在相反方向，以低速同时回转。进给率与两回转同步，该过程继续到所需的螺纹长度都加工完。硬金属刀具必须与被生产的螺纹有相同的形状。

因为刀具以与零件相反的方向高速旋转，所以被加工的螺纹表面很完美，避免了有时在用传统螺纹铣削方法加工时所见到的不合要求的表面。

回转法加工螺纹也消除了从导向道退出长的棒料，因而有助于避免由于过长的伸出而卡住。

更好的电火花加工电火花加工(EDM)，因为不受工件硬度的影响，是生产复杂、高精度医疗装置经常使用的方法，能用于加工硬的、难于加工的合金。但是，这方法有两方面

影响钛：首先，它改变钛零件表面上天然的、高度防腐蚀氧化物涂层的颜色，使钛由灰色变为浅蓝色。其次，更麻烦的是，在电火花加工过程中，铜和锌的微滴，从金属丝再淀积在被加工零件的表面。这回镀需要昂贵的清理过程，因为铜是适生物排斥的。

夏米尔技术(Charmilles Technologies)(www.charmillesus.com) 巳经开发了一种新型的电火花加工机(称为CleanCut)，该公司称，切削比以前的技术更快，能加工出更清晰的形状。这加工机可以减少电火花加工不合要求的表面质量。通过产生交替的正、负放电，CleanCut 加工机消除了钛零件表面变蓝。另外，夏米尔称，这加工机大大减少了钛表面的铜污染，降低了加工后清理成本。

微成型医疗零件尺寸越来越小，强度越来越高的趋势，使Phillips Plastics Corp. (www.phillipsplastics.com) 开发一种微铸工艺，用来加工钛制医疗零件，尺寸小到0.0001立方英寸。虽然该工艺遵循与大多数其它注塑模金属同样的准则，但钛通常会产生粗糙的表面和较薄的壁截面。该工艺的优点，包括材料利用率高，损耗低，型腔到型腔之间重复性高和+60.001英寸的高精度。

满足联邦政府各项法规美国食品及药物管理局严格的质量系统要求，规管医疗装置制造商的业务。这些质量标准需要制造医疗装置的制造商，对一个零件所采取的每一个动作，制造商要持有声明文件。所有材料(棒料和铸件)要编号，所有文件必须匹配。如果任何时候，书面资料的系列号与材料不符，则整批必须报废。

为了既符合食品和药物管理局的规定，又尽量提高机床的生产率，美国田纳西州Memphis的Odyssey Medical (www.odysseymec.com) 竭尽全力提高过程的质量。Odyssey巳实行了严格的过程控制用以证明和一种过程控制技术，称为预先控制，监控零件公差和加工过程中稳定性的。预先控制扩大了标准过程的控制图表，使操作者在出故障前调整好机床的偏置。Odyssey技术服务部总裁Tim Gooch解释道：“零件的规格控制零件的可接受性，但预先控制可以控制操作者的动作。”这技术把公差带分为绿色、黄色和红色区，中间50%的公差带是操作者的目标工作范围。任何两个连续的零件，超过这更严格的公差，都会告知操作者调整机床的偏置。相反，连续的零件偏差相反，表示这过程不稳定需要调整。超出公差范围的零件当然报废。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/22/2006)


您的位置：首页 > 工业原材料展区 > 有色金属展厅 > 产品库 > 钛/钛合金 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录