接骨板五軸加工中心加工工藝方案設(shè)計(jì)

蔣益堅(jiān)

摘 要：隨著科技的高速發(fā)展，新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)，原本價(jià)格昂貴的高速、高精度五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床性價(jià)比不斷提高，其價(jià)格已能被企業(yè)所接受，在國(guó)內(nèi)逐漸被大量使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)多軸編程軟件也已出現(xiàn)，原本價(jià)格昂貴的多軸編程軟件價(jià)格不斷降低，而軟件的使用也逐漸變得簡(jiǎn)單易學(xué)。因此，采用新設(shè)備、新工藝提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品精度不僅成為可能，更是企業(yè)降低成本，占領(lǐng)市場(chǎng)的必由之路。

關(guān)鍵詞：接骨板；加工工藝；五軸

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.27.089

1 引言

原異形接骨板產(chǎn)品因受加工技術(shù)限制，都被設(shè)計(jì)成在一個(gè)平面上，但這樣設(shè)計(jì)，不符合人骨結(jié)構(gòu)，安裝困難，也使患者多受痛苦。接骨板二代產(chǎn)品根據(jù)人骨的結(jié)構(gòu)，其鎖定孔和加壓孔被設(shè)計(jì)成不同方向、不同角度，以便更好地與人骨連接，加快傷口愈合，減輕患者的痛苦。此工件原在三軸加工中心上加工，因要在曲面上加工不同方向的螺紋孔，因此使用的夾架數(shù)量多，安裝次數(shù)多，生產(chǎn)效率低，且定位精度不高。為提高定位、加工精度和生產(chǎn)效率，現(xiàn)計(jì)劃五軸加工中心進(jìn)行加工。

2 五軸加工中心的工藝特點(diǎn)及機(jī)床類型

五軸加工就是在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)、五面體技術(shù)，可一次裝夾，完成除第六面的所有的加工工序，從而保證了以高效率制造出高質(zhì)量的零件。

2.1 五軸加工中心的加工特點(diǎn)

（1）一次裝夾，五面加工，工序高度集中。

（2）可進(jìn)行空間一般平面、孔系的加工。

（3）多軸聯(lián)動(dòng)調(diào)整刀具姿態(tài)，避免刀具干涉，能連續(xù)、平滑地進(jìn)行空間曲面加工。

（4）曲面法線一般在-30°～210°，可使球刀獲得合理的切削線速度，提高空間自由曲面加工精度、質(zhì)量和效率。

（5）縮短刀長(zhǎng)，消除振動(dòng)提高表面精度、質(zhì)量。

2.2 五軸加工中心的種類

多數(shù)實(shí)用五軸機(jī)床是由三個(gè)直線坐標(biāo)軸和二個(gè)回轉(zhuǎn)軸組成的，組成方式有三種：一種是刀具一側(cè)有三個(gè)直線坐標(biāo)軸加工件側(cè)二個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的3+2軸零件定位；第二種是刀具一側(cè)使用三個(gè)直線軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，工件用一個(gè)回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)（ 傾斜式頭架結(jié)構(gòu)）；第三種是都在刀具側(cè)的雙擺頭主軸頭機(jī)。

3 異形骨接板加工方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 產(chǎn)品分析

該產(chǎn)品是提供骨科手術(shù)時(shí)作骨折斷端連接使用的內(nèi)固定產(chǎn)品，通過(guò)螺釘與人體骨骼固定，板與釘之間配合固定，從而防止術(shù)后骨斷端的傾斜，選擇和移動(dòng)。第一代產(chǎn)品各孔大多在同一平面，方便加工，普通三軸就可以，有角度的用專用夾具。第二代接骨板加了鎖定功能，鎖定加壓接骨板主要特點(diǎn)是聯(lián)合使用了偏心加壓孔和圓錐形螺紋孔。偏心加壓孔，可以使用常規(guī)螺釘產(chǎn)生軸向加壓，也可以使用拉力螺釘把遠(yuǎn)處的碎骨塊加壓固定于骨干上。圓錐形螺紋孔和帶螺紋的螺釘產(chǎn)生200°以上的鎖定，足夠維持釘板的成角與軸向穩(wěn)定。

3.2 要解決的技術(shù)難點(diǎn)和預(yù)期提前的加工效率

（1）材料難加工：該產(chǎn)品使用材料為純鈦。鈦的摩擦系數(shù)大，加工比較困難，再加上鈦的導(dǎo)熱性比較差，熱量集中刀尖，會(huì)使刀尖軟化。所以刀具要鋒利，并且要充分冷卻。

（2）錐孔螺紋加工。

錐螺紋銑刀在鈦板上攻螺紋非常困難，為配合人體骨骼設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品上有不同方向，不同角度多個(gè)螺紋孔，特備是小的錐螺紋，如使用機(jī)用絲錐攻絲，加工時(shí)處在半封閉狀態(tài)切削，切削液難以達(dá)到切削區(qū)，散熱及潤(rùn)滑效果差。由于鈦彈性模數(shù)小，切削時(shí)回彈大，易出現(xiàn)“抱錐”，使摩擦扭矩增大，而造成絲錐常常會(huì)崩齒或扭斷，產(chǎn)品報(bào)廢。采用手工攻絲，生產(chǎn)效率太低，現(xiàn)采用螺紋銑刀銑螺紋。

（3）三軸加工中心加工時(shí)因要調(diào)整加工角度，所以需要5付夾具，裝夾5次完成，裝夾調(diào)整耗時(shí)長(zhǎng)，且定位精度不高?，F(xiàn)需要提高加工效率。預(yù)期一次裝夾完成，并減少換刀次數(shù)，生產(chǎn)效率可提高3倍。

3.3 實(shí)施方案

3.3.1 加工設(shè)備選擇與刀具材料的選擇

骨接板屬小型零件，主要是在成型材料加工不同方向，不同角度圖7加裝雙轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心多個(gè)螺紋孔，切削強(qiáng)度不大，根據(jù)上述兩種機(jī)床類型的分析與比較選用搖籃式的工作臺(tái)擺動(dòng)機(jī)床合適，所以選用立式五軸加工中心NBV1060，加裝A、 B 兩軸搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)。A軸-45度到120度，B軸360度，加裝A、 B 兩軸搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)。A軸-45度到120度，B軸360度。采用FANUC 18i-MB5系統(tǒng)。

鈦合金熱傳導(dǎo)率低，切削熱會(huì)引起高溫造成粘結(jié)，彈性模量，所以刀具選用硬質(zhì)合金刀具，VF涂層（即（Al，Ti，Si）N涂層），冷卻液選用嘉實(shí)多-Variocut c 700，有效的解決了以上問(wèn)題。

3.3.2 工件的定位與裝夾方式

工件夾具采用整體嵌入式裝夾，因?yàn)榱慵毫Τ尚?，其形狀有一定的變?dòng)，壓緊采用7字形壓板和雙頭螺釘，有效的解決了裝夾方便及壓板定位的問(wèn)題。每一種產(chǎn)品的夾具都采用兩面一銷的方式固定在夾具座上，方便夾具的更換，和定位一致。

3.3.3 完整產(chǎn)品工序

投料、線切割外形、外形倒圓角、壓力成型、整形、噴砂粗研、數(shù)控加工、倒角去毛刺、整形研磨、檢驗(yàn)打印標(biāo)記、鈍化消毒包裝。

3.3.4 數(shù)控加工路線的確定

（1） 60度定心鉆曲面定心孔。（2） 鉆導(dǎo)針孔2.1。（3） 鉆錐螺紋底孔至3.9。（4） 孔口倒R4圓角（5） 錐銑刀擴(kuò)孔至。（6） 銑錐螺紋。（7） 銑加壓孔。（8） 加壓孔倒圓角R3。

3.3.5 數(shù)控加工刀具卡

1 T01 6定心鉆 D01；2 T02 2.1鉆頭 D02；3 T03 3.9鉆頭 D03；4 T04 R4球頭刀 D04；5 T05 18°錐銑刀 D05；6 T06 螺紋銑刀 D06；7 T07 3立銑刀 D07；8 T08 R3球頭刀 D08。

3.3.6 工序的確定

毛坯種類：成型板料；毛坯尺寸 ：220X12X2.2；材料牌號(hào) TA3；設(shè)備名稱加工中心。

設(shè)備型號(hào) NBV1060；夾具名稱：骨接板上曲面夾具。

4 總結(jié)

異形骨接板使用五軸加工中心加工，重新制訂了加工工藝，與原工藝在相比。

（1） 減少了夾具的使用原使用夾具5副，現(xiàn)1副夾具就完成了曲面上所有孔的加工。

（2） 提高了鎖定孔的位置精度多次裝夾必然會(huì)有裝夾誤差產(chǎn)生，現(xiàn)一次裝夾完成所有孔的加工，提高了孔的位置精度。

（3） 改攻絲為銑螺紋提高了螺紋的加工質(zhì)量和效率，提高了成品率。

（4） 提高機(jī)床利用率原加工一件零件要經(jīng)過(guò)五次裝夾，加工一個(gè)孔需經(jīng)多次換刀才能完成，機(jī)床等待時(shí)間長(zhǎng)，切削加工時(shí)間少，利用率不高，現(xiàn)一次裝夾集中刀具使用減少了裝夾、換刀時(shí)間，極大提高了機(jī)床的利用率。

（5） 延長(zhǎng)了刀具使用壽命通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)調(diào)整刀具姿態(tài)，使球刀在切削時(shí)有良好的線速度，控制線速度在40m/min這一鈦合金較為理想的切削速度，同時(shí)選用超高壓切削液，防止鈦合金加工時(shí)產(chǎn)生的粘結(jié)，提高了刀具使用壽命。刀具使用壽命與原加工相比提高了40%以上。

該方案經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐確實(shí)可行，可靠的保證了產(chǎn)品精度，大大提高了生產(chǎn)效率，簡(jiǎn)化了工裝夾具且更換產(chǎn)品方便。對(duì)比原工藝，原來(lái)在切削加工中耗時(shí)50分鐘，現(xiàn)加工耗時(shí)12分鐘，所耗工時(shí)是原來(lái)的四分之一，完成既定目標(biāo)。

隨著信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)的不斷發(fā)展與結(jié)合，制造業(yè)向著智能化轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)。對(duì)于醫(yī)療器具的制造來(lái)講，未來(lái)發(fā)展方向就是要如何高速、高質(zhì)量地根據(jù)病人的個(gè)性化需求制造出產(chǎn)品，以滿足個(gè)性化治療的需求，這就需要加工制造高度的敏捷和柔性，我認(rèn)為這也是未來(lái)制造業(yè)的方向。