【編者按】醫(yī)療行業(yè)中枕捺，齒科和整形外科植入件的制造迅速增長轿秧。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)預(yù)計將持續(xù)增長至2030年瞻赶，市場預(yù)期為500億美元。成本控制對于保持競爭力顯得尤為重要埃叭∶校考慮到這個因素，膝關(guān)節(jié)赤屋、髖關(guān)節(jié)和齒科供應(yīng)商應(yīng)同時關(guān)注成本降低和高品質(zhì)立镶。【參閱山高推出用于鋼件車削的高可靠性 CBN010 刀片】

　　去年类早，大約三百萬人做了髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換媚媒，還有更多人將要做做髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換。全球齒科市場同樣在迅速增長涩僻。有報道稱缭召，在2009-2014年間的平均增速預(yù)期為6.04%，市場將達(dá)到40億美元逆日。

　　由于這些零件用于人體嵌巷，故制造時有相當(dāng)嚴(yán)格的控制，確保高品質(zhì)芭贬。隨著市場的迅速增長和成熟恋都，成本控制對于保持競爭力顯得尤為重要。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入件在OEM中占有主導(dǎo)地位坚呜，山高刀具能提供專業(yè)的解決方案程伞，包含刀具設(shè)計和高品質(zhì)服務(wù)以確保產(chǎn)品的高品質(zhì)及成本節(jié)約。本文將詳細(xì)介紹行業(yè)內(nèi)的三種解決方案闸虹。

　　1 全膝關(guān)節(jié)置換

　　在很多時候暴既，我們談?wù)撓?髖關(guān)節(jié)置換（TKRs/THRs）辽察。TKR膝關(guān)節(jié)植入件包含三個主要組件：股骨組件，脛骨托架以及高密度聚乙烯墊磁饮。

圖1 膝關(guān)節(jié)植入件 

　　讓我們仔細(xì)看一下這個脛骨墊腰步。工件材料為UHMWPE或稱其為超高分子聚乙烯。這種材料很軟疾练，因此切削力小茁只。表面粗糙度應(yīng)不大于0.50 μm，意味著需要高端的精加工專用刀具缔莲。山高的Jabro?設(shè)計了一款‘Premier Finish’整體硬質(zhì)合金銑刀哥纫，能夠勝任此加工，并全球領(lǐng)先痴奏。

　　1.1采用球頭銑刀的老式加工方法

　　股骨件和脛骨墊的加工難點(diǎn)在于它們獨(dú)特的形狀蛀骇，尤其是脛骨墊的骨節(jié)曲面形狀更難加工。

　　之前加工脛骨墊的方法是用一把拋光過的HSS成型刀或者傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金銑刀读拆。除此以外擅憔，刮削的方法也經(jīng)常被使用。兩種方法均有缺陷檐晕。

　　· 第一個方法通常在表面產(chǎn)生明顯的尖點(diǎn)暑诸，另外為了獲得平滑的切削路徑，設(shè)備必須足夠快速辟灰。
· 這些刀具由于其零前角个榕、小螺旋角，很難獲得良好的加工表面芥喇。

　　· 第二種方法只能做具有圓弧表面的產(chǎn)品西采，但由于刀體限制、成形零件夾持等設(shè)計限制因素继控，無法實(shí)現(xiàn)所有的圓弧加工眠便。

　　為了獲得滿意的表面粗糙度，必須增加可靠性較低的操作環(huán)節(jié)况饥。人工拋光或噴砂處理會帶來不可預(yù)計的加工時間其便、成本和品質(zhì)效果。

　　為了克服這些困難荸冒，山高Jabro開發(fā)了一款新的刀具Premier Finisher（圖2）母卵。刀具的設(shè)計基于工件表面的凹凸面以及切線和連接的直線。相比模具而言积苞，此輪廓公差較寬，當(dāng)然乳吉，這種刀具的制造这疟，在切削刃口幾何結(jié)構(gòu)上也經(jīng)常面臨問題菱计，如下所述：

　　凹面和凸面形狀的重疊

　　最大直徑

　　當(dāng)輪廓以小圓弧結(jié)束或開始

　　這些潛在問題的發(fā)生是因?yàn)樯拜唹毫ρ杆俑淖儯蛘邔?dǎo)致太多的磨削熱量影響了刃口虹婿，使得刃口不能足夠鋒利壤生，這樣在切削時產(chǎn)生剪切力而不是切削力。

　　Premier Finisher整硬銑刀在研磨過程中朝刊，全切削刃保持恒定的切削前角耀里，刃口圓弧5μm左右。切削速度在200 - 600 m/min之間拾氓，具體依據(jù)CNC機(jī)床而定冯挎。通常，如果控制系統(tǒng)良好咙鞍，能夠獲得更高進(jìn)給房官。每齒進(jìn)給通常在0,003-0,005*刀具直徑：一把d20直徑的刀具，為0.06-0.1 mm/z续滋，刀具壽命通常為1000-2000件翰守。通常建議在刀具磨損之前一直放在機(jī)床上，移除或儲存帶來刀具損壞的風(fēng)險較高疲酌。

　　在下節(jié)中蜡峰，將推薦這個刀具的其它規(guī)程并詳細(xì)討論。

　　裝卸：由于刃口特別容易損壞朗恳，刀具必須非常仔細(xì)地進(jìn)行裝卸湿颅。要避免與金屬觸碰，另外益侨，手指甲的觸碰同樣會造成輕微的刃口損壞暇寸。

圖2  山高 Jabro的Premier精加工刀具
 
物流：在運(yùn)輸過程中必須有保護(hù)措施。刀具被保護(hù)并用蠟密封在包裝盒內(nèi)积碍。并張貼標(biāo)簽“小心輕放”“不要重新包裝”庸磅。

　　測量和檢測：在醫(yī)療行業(yè)，可追溯性特別重要蚌斑，為確保工藝質(zhì)量奋完，采用封閉的工藝，所有刀具均有單一的激光標(biāo)志慰适。Helicheck設(shè)備可確保其可靠性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)淫兑，測量均采取非接觸式光測量，而不用與刀具直接接觸的測量技術(shù)饺斧，并采用密封的研磨程序二谤，質(zhì)檢報告附在刀具盒內(nèi)，以便客戶確認(rèn)品質(zhì)读囤。

　　刀具設(shè)置：操作者應(yīng)按照指示去除保護(hù)蠟继射，找到報告提供的正確直徑佣盒。刀具可以修磨達(dá)五次，明顯的磨損出現(xiàn)時顽聂，安全的包裝是必要的肥惭，避免不可控的損壞。
清潔：當(dāng)設(shè)備同時也用于加工金屬植入件時（鈦/鈷鉻合金及不銹鋼）紊搪，注意徹底清理機(jī)床蜜葱。金屬切屑與刀具直接接觸會損壞刃口。因此機(jī)床設(shè)備很有必要具備良好的過濾系統(tǒng)耀石，以確保切削液清潔牵囤。UHMWPE材料的品質(zhì)同樣也是植入件供應(yīng)商要考慮的關(guān)鍵因素。

圖3  切削刃口177μm磨損

　　不合格的原材料將導(dǎo)致磨損（圖3）娶牌。刀具的提前磨損可能是由于被加工材料聚乙烯不純奔浅。出現(xiàn)這種情況，必須關(guān)注采購環(huán)節(jié)诗良。
1.2 結(jié)論

　　與球頭刀相比汹桦，這種Premier Finish刀具價格高出8倍，但單件成本會大大降低（節(jié)省高達(dá)5倍）鉴裹，可以同時提高品質(zhì)和降低成本舞骆，故投資這種刀具是值得的。
 
2 全髖關(guān)節(jié)置換

　　在全髖關(guān)節(jié)置換中窜抽，髖關(guān)節(jié)臼杯（圖4）具有不同的尺寸和厚度相彼，是植入件的一個部件。在這個章節(jié)中髓无，詳細(xì)介紹了這些醫(yī)療元件的加工阔踢。
2.1 加工區(qū)域的功能

　　其中要銑削的一個特征就是定位面和阻轉(zhuǎn)面。這個特征是用于壓入髖臼杯中的聚乙烯墊沫十。另一個要銑削的區(qū)域是孔的背面蛋昙，特制螺釘用于連接臼杯和髖骨。

圖4 全髖關(guān)節(jié)置換臼杯

 
　　2.2 材料和加工特征

　　髖臼杯的材料是TiAl6V4建淘，這種材料的加工特點(diǎn)廣為人知：理想的切削條件下沧源，可使用高達(dá)275 m/min的切削速度∵浼希可獲得的進(jìn)給速率與刀具直徑及切削寬度有關(guān)波财。例如一個d10 mm的刀具，切削寬度為0.3 mm打恕，進(jìn)給量可達(dá)0.1 mm/z退疫。

　　工件實(shí)際上是一個半球面，阻轉(zhuǎn)面在球形內(nèi)側(cè)，孔是從內(nèi)向外鉆銑（徑向）蹄咖，同樣可以加工背面褐健。

　　2.3 切削參數(shù)

　　加工受到工件設(shè)計形狀和裝夾方法的限制。工件的裝夾部位是一個最后切除的圓柱狀工藝頭澜汤。考慮到工件的幾何形狀以及薄的邊緣舵匾，可以使用d4 mm的JH910系列刀具俊抵，此刀具具有Tribon涂層，可以用于銑削定位面坐梯。最適宜的線速度為120 m/min徽诲，進(jìn)給量為0.05 mm/z。要求之一是不同規(guī)格的臼杯必須用一把鉆頭進(jìn)行加工吵血。配合工件的圓柱形/球形幾何結(jié)構(gòu)谎替，開發(fā)了一種特制的復(fù)合鉆頭，用于一次加工兩個特征蹋辅。鉆頭的線速度大約在40 m/min時阅权，加工壽命較好，加工工藝和孔公差的要求均可達(dá)到挥疲。背面加工刀具需根據(jù)不同的尺寸進(jìn)行定制啸需，這種新的設(shè)計是一種T形槽刀具，切削直徑d5.4 mm饼贰。必須加工孔邊緣的1.8 mm寬的區(qū)域斯智，故柄部直徑只有d1.6 mm。這當(dāng)然限制了參數(shù)的提高酌尔，但綜合優(yōu)化的硬質(zhì)合金基體附舌，以及幾何結(jié)構(gòu)和加工策略，此工藝十分優(yōu)良跺榆。線速度可以在60m/min左右蛉差，應(yīng)用螺旋插補(bǔ)銑。

　　2.4 以前的加工方法

　　定位面加工的老方法基于傳統(tǒng)刀具：刃長和幾何結(jié)構(gòu)沒有根據(jù)這種操作要求進(jìn)行優(yōu)化惩投，加工參數(shù)受限摘沥。使用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭分兩步鉆孔，再有一個球頭刀銑圓弧面兄存，還需要一個額外的去毛刺步驟熊镣。背部用一種鏜刀進(jìn)行加工，一個操作可完成加工募书。

　　由于此加工操作切削力的作用绪囱，在輕微磨損后，刀具即發(fā)生彎曲。由于切寬與刀具的柄徑/長度比有關(guān)鬼吵，加工時也容易產(chǎn)生刀具振動扣甲。

　　采用新方法可以節(jié)省50%刀具成本，綜合起來能節(jié)省大約30%齿椅。
 
　　3 齒科植入體

　　與外科植入物相接近琉挖，齒科植入體也是SECO在醫(yī)療行業(yè)的興趣之一。材料主要為CoCr涣脚，Zr示辈，PMMA（透明熱塑性塑料），Ti遣蚀，E.max CAD（創(chuàng)新型焦硅酸鋰微晶陶瓷）矾麻。加工時間取決于品質(zhì)要求和應(yīng)用種類。加工部件一般是齒模善答、支架仁墅、植入體和齒橋。

　　在這些不同的材料和組件中缤币，下面討論一下優(yōu)化的鈦合金齒橋加工工藝冲倡。

　　圖5 鈦合金齒橋 

　　這個部件有二級鈦加工而成。沒有五級鈦的強(qiáng)度高微悬。純度為99,6%顺良，相對較軟∩匙纾抗拉強(qiáng)度正好是臨床要求的水準(zhǔn)275 MPa些栅。最高的抗拉強(qiáng)度為345 MPa，通常用于抗腐蝕應(yīng)用中草仪。
3.1 應(yīng)用實(shí)例

　　加工工藝包括d8mm及d2mm立銑刀做粗加工和精加工至沸。設(shè)備為Willemin-Macodel，功率10 kW振害，最高轉(zhuǎn)速30000 rpm盖扔。主軸規(guī)格為HSK E40，熱縮刀柄缘缚，刀具懸長28 mm勾笆。刀具為Jabro的JH920結(jié)構(gòu)兩刃銑刀，加工時間11分鐘桥滨，裝刀1分鐘窝爪。加工成本一小時€ 76。一年加工9000件（40件/天*每周6天）齐媒。

　　為改善此應(yīng)用蒲每，采用了不同的刀具進(jìn)行了測試纷跛。包括快進(jìn)給刀具（JHF180 & JHF 980，定制涂層）邀杏，一把高性能刀具和一個微型刀具贫奠。

　　3.2 切削參數(shù)據(jù)與結(jié)果

　　不同刀具采用不同切削參數(shù)進(jìn)行測試后，取得最好結(jié)果的是JHF980K080-MEGA望蜡，減少加工時間達(dá)7分鐘唤崭，切削參數(shù)如圖6所示。

　　圖6 JHF980K080-MEGA的切削參數(shù)

　　接下來采用的4刃刀具JM920脖律，能減少50%的加工時間浩姥，顯著提高刀具壽命。切削參數(shù)如圖7所示谆威。

　　圖7 JM920與老刀具的切削參數(shù)對照

　　有了這些改善之后，還進(jìn)行了生產(chǎn)率&成本分析（PCA）钓闲。結(jié)果顯示年成本節(jié)約為45%婉饼，大約相當(dāng)于750小時的工作量。詳細(xì)見圖8拉盘。

　　圖8  JM920刀具的PCA分析

　　這篇文章中序敷，我們集中關(guān)注醫(yī)療行業(yè)。正如開始所說的当糯，全球的骨科植入件及齒科植入體市場迅速增長赋昔。這里介紹的詳細(xì)應(yīng)用表明了山高刀具集團(tuán)在這個行業(yè)內(nèi)的價值。山高刀具在傳遞高附加值改變客戶需求的過程中捧练，為金屬切削領(lǐng)域添磚加瓦亮绢。

（山高刀具（上海）有限公司 劉天喜 蘇國江 ）

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