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醫(yī)療裝置鈦種植體的加工

2015-08-03 10:41    瀏覽:703    評論:0
IP屬地 陜西
  醫(yī)療裝置制造商面臨諸多棘手的挑戰(zhàn)。他們的客戶要求使用難于加工的材料,例如,生產(chǎn)出微小的、更復(fù)雜的零件而且要求非常精密。最重要的是他們必須按嚴格的規(guī)章操縱,需要符合多方面的、嚴密的文件要求。
  矯形裝置的設(shè)計需要符合骨骼和關(guān)節(jié)的復(fù)雜外形,因而這些零件的加工也很復(fù)雜。從棒料加工出來的這些裝置,需要切掉大量的材料,因而由于很多材料的切削性能指數(shù)低,使工序很昂貴。所以,一些零件鑄造成接近零件的終極外形,這經(jīng)常需要復(fù)雜且昂貴的夾具。另一個加工復(fù)雜性的題目是大多數(shù)裝置物需要嚴格的公差——0.002英寸或更小。
  由于這些壓力,引出新技術(shù)幫助制造醫(yī)療零件的車間應(yīng)對競爭。Agile的12軸車床、新等級的刀片和創(chuàng)新的回轉(zhuǎn)法螺紋加工性能生產(chǎn)這些復(fù)雜零件,精度非常高;電火花加工中的很多創(chuàng)新,使高質(zhì)量零件的生產(chǎn)更快,消除了很多老加工技術(shù)中固有的題目。
  不銹鋼與鈦是醫(yī)療植進物用得最多的材料。不銹鋼通常用于不是永久性置進體內(nèi)的種植體。鈦通常寧愿用于醫(yī)療種植體,是由于它的重量輕、強度高及其生物相容性。另外,鈦種植體可用于磁共振成像和計算層析X射線攝影法成像診斷程序,因而,種植體植進后不會影響病人進行這些診斷程序。
  鈦6AL-4V ELI是用于制造胯關(guān)節(jié)、接骨螺釘、膝關(guān)節(jié)、板形骨或器官、假牙和外科裝置的標(biāo)準(zhǔn)材料。但是,鈷合金由于其堅硬、更緊密的粒度和比鈦更潔凈,會越來越經(jīng)常使用。
  加工鈦合金比加工鋼所需的切削力只略微大一點,但是,鈦合金的冶金特性使其比相當(dāng)硬度的鋼更難于加工。
  鈦有一種加工硬化性,這種特性消除了切削刀具前面的固結(jié)金屬(卷邊)。這有助于加大加工中的剪切角,因而形成薄的切屑,與切削刀具表面在相當(dāng)小的面積上接觸。由于這加工硬化性,在刀具與工件運動接觸中,進給不應(yīng)停止。這樣在加工中產(chǎn)生的大的支承力,結(jié)合在接觸區(qū)由切屑所產(chǎn)生的摩擦力,導(dǎo)致在刀具局部區(qū)熱量大大增加。切削鈦所產(chǎn)生的熱量,不會很快消散,由于它是不良導(dǎo)體。因此,大部分熱量集中在切削刃和刀具表面。
  大的承受力和熱量,在切削刃四周形成月牙洼,導(dǎo)致刀具迅速損壞。更糟的是,鈦合金在刀具的工作溫度下,有很強烈的傾向與刀具中的材料熔合成合金或再起化學(xué)變化,還有一種趨勢是當(dāng)切屑黏結(jié)到刀具切削刃上時,導(dǎo)致刀具表面損傷。
  當(dāng)?shù)毒唛_始磨損時,這些困難會加倍,因而,用于加工鈦及其合金的刀具應(yīng)該認真監(jiān)視,確保刀刃鋒利,磨鈍前要進行更換。加工鈦及其合金的經(jīng)驗是,假如在加工過程中,見到任何變化,就應(yīng)該立即換刀,由于變化意味著刀具要變鈍了。
  另一個保持刀具鋒利的原因是,當(dāng)用磨損或損壞的刀具切削時,鈦可能導(dǎo)致著火。當(dāng)燃燒時,金屬產(chǎn)生氧,因而火會自燃。所以,很多加工鈦的車間不報火警,他們在機床上裝備滅火系統(tǒng)。鈦的彈性模數(shù)相當(dāng)?shù)停蠕摼哂懈邚椥裕蚨诩庸r會趨向于偏離切削刀具,除非要保持重切削或用作適當(dāng)?shù)闹С?。細長的零件在刀具壓力下,趨向于偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致刀顫、刀具磨擦和工差的題目。另外,整個系統(tǒng)的剛性很重要,要使用鋒利、正確外形的刀具。
  12軸控制意味著更少裝卸工件
  在醫(yī)療行業(yè)中,特別迫切需要降低生產(chǎn)復(fù)雜零件的本錢。這就導(dǎo)致產(chǎn)生先進的、有12個軸運動的機床,能夠以任何空間包絡(luò),全部定位,同時,增加一次裝夾的加工工序數(shù)目,不用重新定位或裝卸。
  例如,Tornos Technologies US Corp.(www.tornos.com) 生產(chǎn)的12軸車削中心,一次裝夾,所有12 軸聯(lián)動,生產(chǎn)復(fù)雜零件。除了加工復(fù)雜零件,機床還提供精密的精度和好的表面光潔度。Tornos 的 2000系列車削中心的控制系統(tǒng),配合軟件,能在Windows PC上運行復(fù)雜零件的程序。軟件編寫使控制系統(tǒng)的中心時鐘用作電子凸輪,模擬傳統(tǒng)的、運行凸輪的機床。
  佳工機電網(wǎng)
  Tornos12軸車削中心有帶中心時鐘
  ——電子凸輪軸——虛擬電子凸輪
  同時控制所有軸
  軸的路徑通過數(shù)據(jù)處理來計算,由控制系統(tǒng)儲存成數(shù)據(jù)表。每個軸有它自己的控制芯片(類似于“電子凸輪”),只儲存它的刀具路徑表,即在1或2軸中的運動順序。時鐘信號發(fā)生器每8毫秒讀取和執(zhí)行一步。一個數(shù)據(jù)表用于控制刀具路徑軸,另一個控制主軸速度、轉(zhuǎn)動和停止,第3個用于機床功能。每個零件的數(shù)據(jù)表是離線編程。
  中心時鐘同步多個,單個的刀具路徑。在使用凸輪的機床中的圓周在360?內(nèi)。在Tornos的機床上,用存儲的程序代替凸輪,消除了機床上物理角度限制??刂葡到y(tǒng)并行地讀取數(shù)據(jù),不是一次一個地讀,因而機床能有4把刀具同時切削。
  車削刀片 為了進步生產(chǎn)率,降低刀具本錢,山特維克(Sandvik Coromant)(www.coromant..sandvik.com/us) 最近推出一系列車削胯關(guān)節(jié)用的圓刀片。當(dāng)用于外部車削球狀和窩狀胯關(guān)節(jié)中的球狀骨臼時,該公司指出,在優(yōu)化粗切工序直接從鑄件加工時,使用這些刀具可以提供安全和生產(chǎn)率的平衡。
  在粗切應(yīng)用中,這種刀片的圓形提供強的切削刃,防止過度的磨損凹口,因而刀具的變化較小。由于這些刀片加工產(chǎn)生的溫度較低,所以操縱者可以進步進給和速度,以進步生產(chǎn)率。該公司也提供帶正的、D型刀片的刀柄,用于精車和球形車削。當(dāng)接近加工部位受到限制時,也可用其進行內(nèi)部車削。
  Sandvik Coromant的圓形刀片適合于該公司的CoroTum 107鏜桿及其可達到正確切刃中心高度的EasyFix方法。
  該公司指出,圓刀片和D型刀適于加工鈦和鈷鉻種植體。當(dāng)用圓刀片加工鈷鉻時,該公司推薦的牌號GC1030、GC1105級是D型刀片和鈷鉻的最佳等級;當(dāng)用圓形和D型兩種刀片加工鈦時,H13A級達到最佳效果。
  回轉(zhuǎn)法加工螺紋 為了使外科醫(yī)師使用更方便,醫(yī)療零件越來越復(fù)雜。但是,這復(fù)雜性需要新的裝置,用于特殊的車削和銑削工序,產(chǎn)生所需的復(fù)雜外形。例如,Tornos 巳經(jīng)設(shè)計了一種新的回轉(zhuǎn)法加工螺紋的設(shè)備,用來加工一些接骨螺釘?shù)拇舐菪恰?/div>
  不像切螺紋和攻絲,回轉(zhuǎn)法加工螺紋產(chǎn)生干凈的輪廓,不帶毛刺。回轉(zhuǎn)法加工螺紋可以用于外部切螺紋和內(nèi)部攻絲。這工序在一臺自動車床上進行,需要主軸轉(zhuǎn)速30,000轉(zhuǎn)/分。
  當(dāng)內(nèi)螺紋攻絲時,主軸軸線必須平行于被加工零件運轉(zhuǎn)。內(nèi)部回轉(zhuǎn)過程比傳統(tǒng)攻絲快60%。另外,刀具使用壽命較長,Tornos先容,可加工2500個零件,刀具不會損壞。切削速度高,因而加工時間短。沒有毛刺和殘留切屑,螺紋切削的深度可以大于螺紋直徑的3倍。甚至于能加工到盲孔的底部。
  對于外部螺紋,裝到車床尾真?zhèn)€一個裝置,根據(jù)被加工零件螺旋角旋轉(zhuǎn)和傾斜。加工是由一個球形刀具完成的,該刀具包括3把與被加工螺紋截面相同的刀。驅(qū)動用回轉(zhuǎn)法加工螺紋的刀具的主軸,以高速旋轉(zhuǎn)(12,000轉(zhuǎn)/分),同時零件在相反方向,以低速同時回轉(zhuǎn)。進給率與兩回轉(zhuǎn)同步,該過程繼續(xù)到所需的螺紋長度都加工完。硬金屬刀具必須與被生產(chǎn)的螺紋有相同的外形。
  由于刀具以與零件相反的方向高速旋轉(zhuǎn),所以被加工的螺紋表面很完美,避免了有時在用傳統(tǒng)螺紋銑削方法加工時所見到的分歧要求的表面。
  回轉(zhuǎn)法加工螺紋也消除了從導(dǎo)向道退出長的棒料,因而有助于避免由于過長的伸出而卡住。
  更好的電火花加工 電火花加工(EDM),由于不受工件硬度的影響,是生產(chǎn)復(fù)雜、高精度醫(yī)療裝置經(jīng)常使用的方法,能用于加工硬的、難于加工的合金。但是,這方法有兩方面
  影響鈦:首先,它改變鈦零件表面上自然的、高度防腐蝕氧化物涂層的顏色,使鈦由灰色變?yōu)闇\藍色。其次,更麻煩的是,在電火花加工過程中,銅和鋅的微滴,從金屬絲再淀積在被加工零件的表面。這回鍍需要昂貴的清理過程,由于銅是適生物排斥的。
  夏米爾技術(shù)(Charmilles Technologies)(www.charmillesus.com) 巳經(jīng)開發(fā)了一種新型的電火花加工機(稱為CleanCut),該公司稱,切削比以前的技術(shù)更快,能加工出更清楚的外形。這加工機可以減少電火花加工分歧要求的表面質(zhì)量。通過產(chǎn)生交替的正、負放電,CleanCut 加工機消除了鈦零件表面變藍。另外,夏米爾稱,這加工機大大減少了鈦表面的銅污染,降低了加工后清理本錢。
  微成型 醫(yī)療零件尺寸越來越小,強度越來越高的趨勢,使Phillips Plastics Corp. (www.phillipsplastics.com) 開發(fā)一種微鑄工藝,用來加工鈦制醫(yī)療零件,尺寸小到0.0001立方英寸。固然該工藝遵循與大多數(shù)其它注塑模金屬同樣的準(zhǔn)則,但鈦通常會產(chǎn)生粗糙的表面和較薄的壁截面。該工藝的優(yōu)點,包括材料利用率高,損耗低,型腔到型腔之間重復(fù)性高和+60.001英寸的高精度。
  滿足聯(lián)邦政府各項法規(guī) 美國食品及藥物治理局嚴格的質(zhì)量系統(tǒng)要求,規(guī)管醫(yī)療裝置制造商的業(yè)務(wù)。這些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)需要制造醫(yī)療裝置的制造商,對一個零件所采取的每一個動作,制造商要持有聲明文件。所有材料(棒料和鑄件)要編號,所有文件必須匹配。假如任何時候,書面資料的系列號與材料不符,則整批必須報廢。
  為了既符合食品和藥物治理局的規(guī)定,又盡量進步機床的生產(chǎn)率,美國田納西州Memphis的Odyssey Medical (www.odysseymec.com) 竭盡全力進步過程的質(zhì)量。Odyssey巳實行了嚴格的過程控制用以證實和一種過程控制技術(shù),稱為預(yù)先控制,監(jiān)控零件公差和加工過程中穩(wěn)定性的。預(yù)先控制擴大了標(biāo)準(zhǔn)過程的控制圖表,使操縱者在出故障前調(diào)整好機床的偏置。Odyssey技術(shù)服務(wù)部總裁Tim Gooch解釋道:“零件的規(guī)格控制零件的可接受性,但預(yù)先控制可以控制操縱者的動作。”這技術(shù)把公差帶分為綠色、黃色和紅色區(qū),中間50%的公差帶是操縱者的目標(biāo)工作范圍。任何兩個連續(xù)的零件,超過這更嚴格的公差,都會告知操縱者調(diào)整機床的偏置。相反,連續(xù)的零件偏差相反,表示這過程不穩(wěn)定需要調(diào)整。超出公差范圍的零件當(dāng)然報廢。
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