醫療用假體植入零件鈷鉻鉬(CoCrMo)和鈦合金髖關節的高效銑削加工
2020-03-23
全球的科學技術和經濟正在不斷快速地發展，另一方面經濟發達國家包括我國老齡化趨勢加劇，一些發展中地區和國家的人口還在不斷增長。在這種形勢下，對醫療設備產業的需求必然會穩定持續地增加。
以往先進的醫療設備企業大部分集中在歐美日等發達國家，目前像台灣和亞洲地區轉移的趨勢也在加快增長。
醫療設備除各種各樣現代化的檢查診斷治療設備外。還包括直接的和進入體內的各種手術用器械和植入人體，功能恢復的脊椎，人工關節、假肢，牙科零件以及相應的墊板、螺釘等以及其他輔助設備，生活設備。其中需要精密切削加工的，多為植入人體的零件，手術用的零件。因為選用這些零件的材料必須考慮它們對血液的適應性，對人體的過敏性，要考慮它的耐腐蝕性，耐久性，其本身還需輕型等因素。故需要選用一些高級材料如;鈦合金、鈷鉻鉬合金、不銹鋼等，及UHMWPE(高分子量聚乙烯)以及鋯類、氧化鋁類的陶瓷，特種樹脂等材料。也還用到CFRP(碳纖維)、GFRP(玻璃纖維)等複合材料、隨著新材料的不斷開發，將有更多更先進更適合的材料為醫學零件設備所採用。
以上各種材料中，鈦合金(Ti-6AL-4V)對人體適應性好，用得最廣泛，但鈦的熱傳導率低，切削時產生的高熱難以排出，刀具很易損傷。鈷鉻鉬合金(HRc40-45)耐磨性強，使用壽命長，它比鈦合金更難加工。不銹鋼中奧氏體和析出硬化二類用得最多，它們多用於小零件，如連接鈑，螺釘等。上述材料均為難加工材料，零件形狀複雜，不易實現高效加工，為實現高效加工除優化刀具材料形狀外，充分發揮數控機床的效能也非常重要。下面重點介紹一些髖關節、膝關節、脊椎、牙科等的假體零件以及各種接骨鈑、聯結螺釘的加工方法和目前所使用的先進銑刀。
髖關節假體的各個主要零件如圖1所示。結構仿照了人體髖關節，如圖示那樣，將製作的假體柄部插入股骨髓腔內，利用其頭部與關節臼和假體金屬杯間曲面間可相對旋轉的特性，實現了股骨的曲伸和運動。假體股骨柄部材料可採用; 鈦合金、鈷鉻鉬合金、超低碳不銹鋼等。內外金屬杯材料可採用鈦合金、超低碳不銹鋼等。髖臼材料採用無毒超高分子聚乙烯。鈦合金毛坯多採用熱靜壓力加工方法製造。鈷鉻鉬合金材料的毛坯採用鑄造方法製造。不銹鋼毛坯則採用鍛造方法製造。
但其成品均需經精密的切削加工。建昌精密科技有限公司的先進銑刀可順利實現對其精密切削加工。以上各零件的內外迴轉表面，包括內外圓柱表面、圓錐表面、球面均可用車削的方法。
車刀刀片基體可採用導熱性良好的特殊硬質合金，其表面塗以AlTiN鍍層。車刀刀片的斷屑槽結構應使切屑易於生成和排除，兩斷屑槽形成的前角很大，並具有曲線形的刀刃，最適宜切削鈦合金及耐熱合金材料，加工表面質量高。金屬杯內球面車削一般較難，但用這種刀片儘管切削深度不斷變化，仍可使切屑與熱量順利排出。
鑽削鈦合金等難加工材料切削條件與散熱導熱條件也極差。在假體零件上的孔可用整體硬質合金鑽頭加工，其特點是主刀刃是波形，改變了過去近中心是負前角結構，均衡了主刀刃的鋒利性和耐磨性。修磨製出鑽頭的三重後刀面，使橫刃長度為“零”，這樣既減少了後刀面的摩擦磨損，又減少了軸向力，提高了定心性。故切削時，既鋒利又耐磨。
同時做出雙曲率的螺旋槽，使卷屑排屑順利，為了要特別突出加強散熱和冷卻效果，鑽頭中製出用特殊的TRI-Cooling方案開發的三角形冷卻液孔，使冷卻液噴出速度大增，切削熱可被迅速排除，鑽頭加工效率和壽命大為提高，且在內球面鑽孔時，減少了毛刺，提高了鑽削質量。內球面加工尚可用加長型球頭立銑刀。它的基體材料是超細微粒硬質合金，表面塗層是高硬度超耐磨以氮化鋯(zirconium)技術形成的(Al，Ti，Si)N單相納米塗層，硬度高達HV3700，氧化開始溫度達1300º ，耐熱性好，在800ºC對高硬鋼的摩擦係數僅為0.48。大大提高了耐磨，抗缺損、破損等異常耐損傷能力，使加工質量高且穩定。
假體球形零件上的錐孔可用不等螺旋角減振圓弧頭立銑刀型以自轉公轉相結合的螺旋銑孔方式，代替了以往的二工步;①先鑽孔②再用車刀粗精加工車出錐孔的方式(圖3)，從而使工藝得以集中，加工質量可靠，又縮短了工時，降低了刀具費用。以上刀具的合理使用，能保證順利完成髖關節假體零件表面的加工。
膝關節的複雜外表面加工可採用球頭型立銑刀，其螺旋槽間隔不等，故抗振性好，加工表面質量高。它的特殊設計的切削刃結構形狀(圖4)，使切屑排出性能改善，它採用材料既耐磨又耐破損，壽命長。切削鈷鉻鉬合金速度可達100m/min,進給速度可達3200mm/min.膝關節下的帶盤有柄零件，它的上平面有凹下型腔可用如髖關節加工錐孔減震立銑刀加工。其上的孔也可用鑽頭加工。
接骨鈑多用在骨折後的修復，它具有多種形狀，用量很多，材料為鈦合金(Ti-6Al-4V)和不銹鋼。主要加工表面是外型面，孔和倒角。外型面加工可用本文介紹過基體是超微粒硬質合金，加”氮化鋯(zirconium)”技術沉積的(Al，Ti，Si)N塗層。耐熱，耐磨，切刃抗缺損性能好的立銑刀。複雜形狀的孔和倒角以往的加工方法是;①孔加工②內徑成形加工③倒角加工這三個工步完成。目前建昌採立銑刀用螺旋銑孔的方式一次完成，大大地提高了效率和加工質量。
脊椎植入件也是用鈦合金、鈷鉻鉬合金、不銹鋼製成。其平面和曲面的加工應該採用優秀的抗振立銑刀加工。建昌出色的銑刀(直徑4毫米)在數控複合加工中心以轉速;2400轉/分，進給速度;380毫米/分。背吃刀量;16毫米，徑向吃刀量;0.2毫米。加工鈦合金零件取得滿意效果。
除以上這些假體零件外還有大量多種形式的螺釘，套筒件等它們用的材料也是鈦合金和不銹鋼。特別難加工的是這些螺釘中的深且小的孔(Φ2左右)。孔的長徑比達到近30。以往用槍鑽，轉速雖較高，但進給量非常低，建昌採用了整體的鎢鋼超長鑽頭，進給量可較槍鑽提高4倍，從而大幅度提高了加工效率，縮短了加工時間，也延長了鑽頭的使用壽命。整體式鑽頭直徑最小由Φ0.5起。另外螺釘頭部的Torx凹槽可用專為此加工而開發的小直徑4刃長頸立銑刀來加工。
專業加工植入假體零件和手術器械鈦合金，鈷鉻鉬合金，不銹鋼零件的工廠，生產各種小零件往往達數十萬件，其中用到車削的非常多。建昌為滿足這方面要求又開發了先進的高鋁塗層銑刀系列，一般鋁量增高，鋁會聚集在一起成為軟質相，高鋁塗層銑刀能避免此缺點，形成均勻的高硬質相，其硬度達HV3000，且熱穩定性好，用它作為車削刀片的塗層，不但後刀面耐機械磨損，而且前刀面耐月牙窪磨損，抗粘結損傷，再結合為鈦合金加工專開發的強度高，導熱性能好的硬質合金基體，解決了加工質量，效率，小型車刀壽命的許多問題。而對一些不銹鋼和鈦合金制外科器械的坯件往往留下較多的餘量，為了提高這類零件的銑削粗加工的效率可使用使徑向力減少，主偏角小特別設計的可大進給的立銑刀，切削速度可達120米/分，進給量可達2100毫米/分。
醫療用植入零件，應該適合不同入不同的植入部位三維立體的空間形狀結構，因此個體化要求突出。進入工業4.0時代，一個鮮明的競爭特點，就是誰能最好最快地滿足客戶個性化要求，誰就能取得勝利。因此今後的方向是先進的銑刀再配合智能化製造，又能和3D打印增材製造協同才能取得持續的勝利。
以往先進的醫療設備企業大部分集中在歐美日等發達國家，目前像台灣和亞洲地區轉移的趨勢也在加快增長。
醫療設備除各種各樣現代化的檢查診斷治療設備外。還包括直接的和進入體內的各種手術用器械和植入人體，功能恢復的脊椎，人工關節、假肢，牙科零件以及相應的墊板、螺釘等以及其他輔助設備，生活設備。其中需要精密切削加工的，多為植入人體的零件，手術用的零件。因為選用這些零件的材料必須考慮它們對血液的適應性，對人體的過敏性，要考慮它的耐腐蝕性，耐久性，其本身還需輕型等因素。故需要選用一些高級材料如;鈦合金、鈷鉻鉬合金、不銹鋼等，及UHMWPE(高分子量聚乙烯)以及鋯類、氧化鋁類的陶瓷，特種樹脂等材料。也還用到CFRP(碳纖維)、GFRP(玻璃纖維)等複合材料、隨著新材料的不斷開發，將有更多更先進更適合的材料為醫學零件設備所採用。
以上各種材料中，鈦合金(Ti-6AL-4V)對人體適應性好，用得最廣泛，但鈦的熱傳導率低，切削時產生的高熱難以排出，刀具很易損傷。鈷鉻鉬合金(HRc40-45)耐磨性強，使用壽命長，它比鈦合金更難加工。不銹鋼中奧氏體和析出硬化二類用得最多，它們多用於小零件，如連接鈑，螺釘等。上述材料均為難加工材料，零件形狀複雜，不易實現高效加工，為實現高效加工除優化刀具材料形狀外，充分發揮數控機床的效能也非常重要。下面重點介紹一些髖關節、膝關節、脊椎、牙科等的假體零件以及各種接骨鈑、聯結螺釘的加工方法和目前所使用的先進銑刀。
髖關節假體的各個主要零件如圖1所示。結構仿照了人體髖關節，如圖示那樣，將製作的假體柄部插入股骨髓腔內，利用其頭部與關節臼和假體金屬杯間曲面間可相對旋轉的特性，實現了股骨的曲伸和運動。假體股骨柄部材料可採用; 鈦合金、鈷鉻鉬合金、超低碳不銹鋼等。內外金屬杯材料可採用鈦合金、超低碳不銹鋼等。髖臼材料採用無毒超高分子聚乙烯。鈦合金毛坯多採用熱靜壓力加工方法製造。鈷鉻鉬合金材料的毛坯採用鑄造方法製造。不銹鋼毛坯則採用鍛造方法製造。
但其成品均需經精密的切削加工。建昌精密科技有限公司的先進銑刀可順利實現對其精密切削加工。以上各零件的內外迴轉表面，包括內外圓柱表面、圓錐表面、球面均可用車削的方法。
車刀刀片基體可採用導熱性良好的特殊硬質合金，其表面塗以AlTiN鍍層。車刀刀片的斷屑槽結構應使切屑易於生成和排除，兩斷屑槽形成的前角很大，並具有曲線形的刀刃，最適宜切削鈦合金及耐熱合金材料，加工表面質量高。金屬杯內球面車削一般較難，但用這種刀片儘管切削深度不斷變化，仍可使切屑與熱量順利排出。
鑽削鈦合金等難加工材料切削條件與散熱導熱條件也極差。在假體零件上的孔可用整體硬質合金鑽頭加工，其特點是主刀刃是波形，改變了過去近中心是負前角結構，均衡了主刀刃的鋒利性和耐磨性。修磨製出鑽頭的三重後刀面，使橫刃長度為“零”，這樣既減少了後刀面的摩擦磨損，又減少了軸向力，提高了定心性。故切削時，既鋒利又耐磨。
同時做出雙曲率的螺旋槽，使卷屑排屑順利，為了要特別突出加強散熱和冷卻效果，鑽頭中製出用特殊的TRI-Cooling方案開發的三角形冷卻液孔，使冷卻液噴出速度大增，切削熱可被迅速排除，鑽頭加工效率和壽命大為提高，且在內球面鑽孔時，減少了毛刺，提高了鑽削質量。內球面加工尚可用加長型球頭立銑刀。它的基體材料是超細微粒硬質合金，表面塗層是高硬度超耐磨以氮化鋯(zirconium)技術形成的(Al，Ti，Si)N單相納米塗層，硬度高達HV3700，氧化開始溫度達1300º ，耐熱性好，在800ºC對高硬鋼的摩擦係數僅為0.48。大大提高了耐磨，抗缺損、破損等異常耐損傷能力，使加工質量高且穩定。
假體球形零件上的錐孔可用不等螺旋角減振圓弧頭立銑刀型以自轉公轉相結合的螺旋銑孔方式，代替了以往的二工步;①先鑽孔②再用車刀粗精加工車出錐孔的方式(圖3)，從而使工藝得以集中，加工質量可靠，又縮短了工時，降低了刀具費用。以上刀具的合理使用，能保證順利完成髖關節假體零件表面的加工。
膝關節的複雜外表面加工可採用球頭型立銑刀，其螺旋槽間隔不等，故抗振性好，加工表面質量高。它的特殊設計的切削刃結構形狀(圖4)，使切屑排出性能改善，它採用材料既耐磨又耐破損，壽命長。切削鈷鉻鉬合金速度可達100m/min,進給速度可達3200mm/min.膝關節下的帶盤有柄零件，它的上平面有凹下型腔可用如髖關節加工錐孔減震立銑刀加工。其上的孔也可用鑽頭加工。
接骨鈑多用在骨折後的修復，它具有多種形狀，用量很多，材料為鈦合金(Ti-6Al-4V)和不銹鋼。主要加工表面是外型面，孔和倒角。外型面加工可用本文介紹過基體是超微粒硬質合金，加”氮化鋯(zirconium)”技術沉積的(Al，Ti，Si)N塗層。耐熱，耐磨，切刃抗缺損性能好的立銑刀。複雜形狀的孔和倒角以往的加工方法是;①孔加工②內徑成形加工③倒角加工這三個工步完成。目前建昌採立銑刀用螺旋銑孔的方式一次完成，大大地提高了效率和加工質量。
脊椎植入件也是用鈦合金、鈷鉻鉬合金、不銹鋼製成。其平面和曲面的加工應該採用優秀的抗振立銑刀加工。建昌出色的銑刀(直徑4毫米)在數控複合加工中心以轉速;2400轉/分，進給速度;380毫米/分。背吃刀量;16毫米，徑向吃刀量;0.2毫米。加工鈦合金零件取得滿意效果。
除以上這些假體零件外還有大量多種形式的螺釘，套筒件等它們用的材料也是鈦合金和不銹鋼。特別難加工的是這些螺釘中的深且小的孔(Φ2左右)。孔的長徑比達到近30。以往用槍鑽，轉速雖較高，但進給量非常低，建昌採用了整體的鎢鋼超長鑽頭，進給量可較槍鑽提高4倍，從而大幅度提高了加工效率，縮短了加工時間，也延長了鑽頭的使用壽命。整體式鑽頭直徑最小由Φ0.5起。另外螺釘頭部的Torx凹槽可用專為此加工而開發的小直徑4刃長頸立銑刀來加工。
專業加工植入假體零件和手術器械鈦合金，鈷鉻鉬合金，不銹鋼零件的工廠，生產各種小零件往往達數十萬件，其中用到車削的非常多。建昌為滿足這方面要求又開發了先進的高鋁塗層銑刀系列，一般鋁量增高，鋁會聚集在一起成為軟質相，高鋁塗層銑刀能避免此缺點，形成均勻的高硬質相，其硬度達HV3000，且熱穩定性好，用它作為車削刀片的塗層，不但後刀面耐機械磨損，而且前刀面耐月牙窪磨損，抗粘結損傷，再結合為鈦合金加工專開發的強度高，導熱性能好的硬質合金基體，解決了加工質量，效率，小型車刀壽命的許多問題。而對一些不銹鋼和鈦合金制外科器械的坯件往往留下較多的餘量，為了提高這類零件的銑削粗加工的效率可使用使徑向力減少，主偏角小特別設計的可大進給的立銑刀，切削速度可達120米/分，進給量可達2100毫米/分。
醫療用植入零件，應該適合不同入不同的植入部位三維立體的空間形狀結構，因此個體化要求突出。進入工業4.0時代，一個鮮明的競爭特點，就是誰能最好最快地滿足客戶個性化要求，誰就能取得勝利。因此今後的方向是先進的銑刀再配合智能化製造，又能和3D打印增材製造協同才能取得持續的勝利。