淺談高精度截骨槽加工新方法

胡剛嶺，槐磊，管采薇

（蘇州微創(chuàng)骨科醫(yī)療工具有限公司，江蘇 蘇州 215000）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，居民的生活水平也在逐步提高，居民需求也由原來的解決溫飽，轉(zhuǎn)變成生活得更好，對個人健康也有了更高的要求。另外，受長期計劃生育政策的影響，我國的老齡化趨勢也在加劇。這些因素推進了醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。在醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)中，骨科業(yè)務(wù)是非常重要的一個賽道，也是國內(nèi)外醫(yī)療器械企業(yè)都在布局的一個賽道。在骨科手術(shù)中，以膝關(guān)節(jié)置換難度最高，同時也是利潤率最高。簡單的拆解，其實膝關(guān)節(jié)置換，就是在股骨和脛骨上進行截取假體的安裝平臺，然后再把假體植入。手術(shù)效果的好壞，除了受限于假體，高精度的手術(shù)工具，也是影響手術(shù)效果的一個重要因素。大的跨國公司，幾乎壟斷了我國高端的關(guān)節(jié)置換市場，如強生、史賽克、美敦力等。他們進入行業(yè)的時間較長，具有技術(shù)積累的優(yōu)勢，尤其是在原材料、新型成型工藝、后處理等方面，具有較大優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)還需要繼續(xù)追趕，尤其是高精度截骨工具。需要對截骨槽加工的方法進行優(yōu)化。

1 截骨板

股骨遠(yuǎn)端截骨是需要截出股骨髁假體的安裝平面，對該截骨，器械一般都是集成化的，可以一次完成6個面的截骨，這樣才可以保障多個面復(fù)合位置的精度，為股骨髁假體的正確安裝提供支撐。這個過程中用到的核心工具就是截骨板。

截骨板（圖1）常用于膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中股骨遠(yuǎn)端截骨，在截骨過程中，需要確定截骨位置，鋸片連接動力后通過截骨板的截骨槽來實現(xiàn)預(yù)期效果。截骨板上一共有6個截骨槽來確定位置。其中槽1、槽2作為基準(zhǔn)A，尺寸精度需控制在±0.015mm。其它槽的尺寸精度也在±0.015mm，且每個槽的位置度相對于基準(zhǔn)A需不大于0.05mm。在這6個槽的加工過程中，截骨板是一次裝夾的，因此，對截骨槽的加工精度要求尤其高。

圖1 截骨板

2 截骨板的成型加工

截骨板一般是由一整塊的沉淀硬化不銹鋼材料經(jīng)過銑削加工、線切割等工藝完成產(chǎn)品形狀的加工，然后再經(jīng)過熱處理、噴砂、鈍化、電鍍等工序，最終成型。一般在加工中心上進行截骨槽加工，銑刀加工出來的截骨槽表面接刀痕跡嚴(yán)重，表面質(zhì)量差，在手術(shù)過程中會與其他工具配合使用，時間越久越容易產(chǎn)生磨屑；且銑刀加工出來的截骨槽尺寸偏差較大，對手術(shù)結(jié)果影響較大。也有使用線切割對截骨槽進行加工，如快走絲、中走絲、慢走絲等。

2.1 銑加工

銑削一般是在加工中心上完成，主要是根據(jù)程序設(shè)定，用高速旋轉(zhuǎn)的銑刀，對原材料逐層切削，切出需要的形狀和特征。相對線切割，銑削加工在加工細(xì)長槽、拐角角度接近90°的特征時，就不具有優(yōu)勢。加工細(xì)長槽，需要選用更小的刀具，并且需要用刀具的底刃進行加工，這樣會有以下問題：（1）小的刀具直徑較小，剛性不足，在加工過程中，刀具容易折斷。（2）底刃加工，切削集中在底刃，底刃磨損快，刀具壽命大大降低。以上兩個因素會造成加工成本的急劇上升。

2.2 快走絲加工

快走絲加工，顧名思義，是在進行切割加工時，由于電極絲高速運轉(zhuǎn)的走私而進行的一種加工。快走絲加工機床起源于我國，屬于電加工機床一種，可進行中、低產(chǎn)品以及復(fù)雜零件的加工制造，隨著科技的逐步完善和發(fā)展，目前該類機床已成為重要的加工手段。

快走絲加工機床之所以在國內(nèi)擁有較大的市場原因在于其性價比高的優(yōu)勢。實用性強、經(jīng)濟性高為其最主要的特點。舉例說明，傳統(tǒng)的快走絲加工在進行一次切割后，其加工效率可達(dá)40mm2/min，雖然表面會有明顯的線紋，表面粗糙度大約為Ra3.0μm，但其加工精度接近0.02mm。

2.3 中走絲加工

中走絲加工機床可理解為快走絲加工的升級版，相比快走絲加工機床而言，其在工藝技術(shù)方面如數(shù)控精度、走絲系統(tǒng)、脈沖電源等方面均有了較大的提升。中走絲可以進行修刀，也就一次線切割后，降低放電能量，并減小放電間隙,這樣就可以實現(xiàn)在一次切割后的表面上，可以進行多次修飾，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。

2.4 慢走絲加工

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求特別是精度方面更是不斷提高，現(xiàn)有的快走絲加工已不能滿足精密產(chǎn)品的加工要求，在這種現(xiàn)狀下，慢走絲加工應(yīng)運而生。相比前面兩種線切割技術(shù)，慢走絲有如下優(yōu)勢。

（1）通過多次切割技術(shù)來提高產(chǎn)品加工精度的。通常一次性切割的目的是成形；二次切割也稱為修刀，可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求選擇次數(shù)，常用的加工方式有割一修一、割一修二等。且慢走絲加工所用的絲為一次性使用，為產(chǎn)品的表面質(zhì)量提供了保障。

（2）表面質(zhì)量日臻完善。獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品表面，除了上面提到的修刀的方式外，還可以通過電源技術(shù)的改進來實現(xiàn)。無防電解脈沖電源的放電加工領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，可有效地降低產(chǎn)品表面的電破壞。高峰值、窄脈寬（微秒級）的脈沖電源可有效地除去產(chǎn)品加工界面氣相，給加工表面迅速降溫，也可以有效地減少產(chǎn)品表面的氧化，降低因高溫造成的產(chǎn)品表面開裂，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。在硬質(zhì)合金沖口刃口的加工方面，慢走絲加工的質(zhì)量越來越接近磨削加工的質(zhì)量，這也是為什么越來越多的零件加工“以割代磨”。

（3）加工效率提升。慢走絲加工因為有“慢”字，很多人以為此項加工技術(shù)的效率應(yīng)該會很低，這其實是一種誤解。當(dāng)前，先進機床的最高加工效率可達(dá)500㎜2/min。這主要是由于先進電源技術(shù)及檢測技術(shù)、程序控制技術(shù)以及抗干擾技術(shù)的發(fā)展,相較水刀切割，慢走絲在厚工件的加工上，不光效率不輸于水刀，也不會出現(xiàn)水刀加工厚件產(chǎn)生的喇叭口。另外，慢走絲可以自動穿絲，自動穿絲時間＜15s消除了人為參與產(chǎn)生的費用及偏差，既可以降低成本，也能提高加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，為自動化、智能化也提高了助力。

（4）自動化、智能化及信息化的發(fā)展。目前通信領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了5G的商用，不管是國家層面，還是行業(yè)層面，幾乎每個行業(yè)都在談?wù)撟詣踊?、智能化及信息化。慢走絲加工技術(shù)發(fā)展到今天，不管是軟件方面，還是硬件方面，已完全具備自動化、智能化及信息化的要求?？梢詿o縫進入黑燈工廠的加工體系中。先進的慢走絲設(shè)備，不僅可以提高產(chǎn)品的加工，設(shè)備內(nèi)部也集成了先進的加工參數(shù)和加工模式，甚至加工所用的輔料的牌號、材料等信息也都可以方便地獲取到。像PCD、PCBN等特殊材料的加工，設(shè)備的加工參數(shù)庫里也有詳細(xì)的加工參數(shù)。先進的控制系統(tǒng)已經(jīng)可以像銑削、車削那樣實現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)控，在切入、切出、邊緣切割等方面系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)自適應(yīng)，提高了加工的穩(wěn)定性，為產(chǎn)品的高質(zhì)量提供了保障。借助信息技術(shù)的發(fā)展，先進的慢走絲設(shè)備已經(jīng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、云端傳輸加工程序等智能化操作。

綜上所述，慢走絲加工機床在加工效率、提高精度和表面質(zhì)量等方面均明顯優(yōu)于快走絲加工機床，相信在不久的將來，慢走絲加工也會像如今的快走絲加工一樣，應(yīng)用于越來越廣泛的領(lǐng)域。

3 截骨板的表面處理

不論是快走絲、中走絲，還是慢走絲，對截骨槽的加工都屬于放電加工，加工完成后，切割槽表面必然會有一次氧化層存在，只是厚薄不同而已。表面處理，也稱為后處理，就是要除去這一層氧化層，并改善表面粗糙度。

為了除去這層氧化層，截骨板的表面處理工藝一般會有噴砂工序，但是，由于截骨槽的槽寬度很小，噴砂的時候不容易被噴到，噴砂本身自帶的表面消光效應(yīng)，又對氧化層是否去除的完全的檢測，造成干擾。即使進行了耐腐蝕的測試，槽內(nèi)的微小腐蝕，也不容易被觀察到。

針對這種情況，有些醫(yī)療器械的制造商，嘗試在噴砂前，引入電化學(xué)拋光工藝，但是，電化學(xué)拋光工藝溶液分配和電流分配的影響。受集膚效應(yīng)的影響，截骨槽分配到的電流很小，無法啟動電化學(xué)拋光去除的作用；電化學(xué)拋光液黏度較大，不容易細(xì)長的截骨槽內(nèi)部。針對此情況，可以在噴砂前進行酸洗或者等離子拋光。酸洗屬于化學(xué)過程，不受集膚效應(yīng)的影響，可以充分與截骨槽表面的氧化層反應(yīng)，腐蝕掉氧化層。等離子拋光使用溶液黏度較低，可以充分進入細(xì)長的截骨槽內(nèi)部，可以改善電化學(xué)拋光造成的電流和溶液分配不均勻。

4 截骨板加工中的其他影響因素

截骨板一般由6個截骨槽，各槽之間存在兩兩之間的復(fù)合尺寸約束，尺寸精度要求高。加工應(yīng)力對產(chǎn)品尺寸的影響非常大，這也是為什么截骨板是骨科工具中最難加工的產(chǎn)品的主要原因。

鑒于此，可設(shè)置兩道慢走絲加工，并在兩道慢走絲加工之間，增加一道時效處理工藝，加速加工應(yīng)力的釋放。第一道慢絲旨在加工切割槽前先割一條縫，促進應(yīng)力釋放。時效處理參數(shù)：在達(dá)到目標(biāo)溫度前，先加熱到450℃保溫1小時，這樣可以減少內(nèi)外溫差，使內(nèi)外同時析出強化相，避免產(chǎn)生更大的組織應(yīng)力。再升溫至480℃，保溫210min后空冷至室溫。圖2為熱處理工藝曲線圖。

圖2 時效處理曲線

第二道慢絲4軸采用粗－精加工結(jié)合，兩道走絲成型，槽粗加工時，需在線切割程序中設(shè)置線徑（0.2mm）補償值為0.152mm；槽精加工時，需在線切割程序中設(shè)置線徑（0.2mm）補償值為0.108mm，這樣的加工的優(yōu)勢：慢絲加工屬于電火花加工，在加工過程中會產(chǎn)生氧化層，分兩次加工可以使氧化層相對一次成型加工的薄，加工出來的尺寸更穩(wěn)定，單邊尺寸偏差可保持在0.005～0.008mm，表1為慢絲加工參數(shù)。

表1 慢絲加工參數(shù)

5 截骨板的加工新方法

根據(jù)以上分析，制定如下工藝路線：工藝路線：備料－加工中心（對非截骨槽尺寸進行成型）－慢絲 4軸（割縫，作為應(yīng)力釋放部位）－時效處理（加速應(yīng)力釋放）－慢絲4軸（精加工成型）酸洗－噴砂－鈍化－檢驗－入庫。

6 結(jié)語

（1）使用新方法進行加工驗證，槽寬尺寸結(jié)果顯示新工藝過程穩(wěn)定，Cpk達(dá)到2.59。

（2）產(chǎn)品表面粗糙度可以達(dá)到ra0.5。

（3）產(chǎn)品尺寸精度可達(dá)到±0.015mm，位置度精度不大于0.05mm。