圖1 膝關(guān)節(jié)植入件
醫(yī)療行業(yè)中，齒科和整形外科植入件的制造迅速增長。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)預(yù)計將持續(xù)增長至2030年，市場預(yù)期為500億美元。去年，大約三百萬人做了髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換，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。有報道稱，在2009-2014年間的平均增速預(yù)期為6.04%，市場將達到40億美元。
由于這些零件用于人體，故制造時有相當(dāng)嚴格的控制，確保高品質(zhì)。隨著市場的迅速增長和成熟，成本控制對于保持競爭力顯得尤為重要。考慮到這個因素，膝關(guān)節(jié)、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)。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入件在OEM中占有主導(dǎo)地位，山高刀具能提供專業(yè)的解決方案，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。本文將詳細介紹行業(yè)內(nèi)的三種解決方案。
1 全膝關(guān)節(jié)置換
在很多時候，我們談?wù)撓?髖關(guān)節(jié)置換（TKRs/THRs）。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。
讓我們仔細看一下這個脛骨墊。工件材料為UHMWPE或稱其為超高分子聚乙烯。這種材料很軟，因此切削力小。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。山高的Jabro™設(shè)計了一款‘Premier Finish’整體硬質(zhì)合金銑刀，能夠勝任此加工，并全球領(lǐng)先。
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在于它們獨特的形狀，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。除此以外，刮削的方法也經(jīng)常被使用。兩種方法均有缺陷。
• 第一個方法通常在表面產(chǎn)生明顯的尖點，另外為了獲得平滑的切削路徑，設(shè)備必須足夠快速。
• 這些刀具由于其零前角、小螺旋角，很難獲得良好的加工表面。
• 第二種方法只能做具有圓弧表面的產(chǎn)品，但由于刀體限制、成形零件夾持等設(shè)計限制因素，無法實現(xiàn)所有的圓弧加工。
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)。人工拋光或噴砂處理會帶來不可預(yù)計的加工時間、成本和品質(zhì)效果。
為了克服這些困難，山高Jabro開發(fā)了一款新的刀具Premier Finisher（圖2）。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，此輪廓公差較寬，當(dāng)然，這種刀具的制造，在切削刃口幾何結(jié)構(gòu)上也經(jīng)常面臨問題，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)生是因為砂輪壓力迅速改變，或者導(dǎo)致太多的磨削熱量影響了刃口，使得刃口不能足夠鋒利，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，全切削刃保持恒定的切削前角，刃口圓弧5µm左右。切削速度在200 - 600 m/min之間，具體依據(jù)CNC機床而定。通常，如果控制系統(tǒng)良好，能夠獲得更高進給。每齒進給通常在0,003-0,005*刀具直徑：一把d20直徑的刀具，為0.06-0.1 mm/z，刀具壽命通常為1000-2000件。通常建議在刀具磨損之前一直放在機床上，移除或儲存帶來刀具損壞的風(fēng)險較高。
在下節(jié)中，將推薦這個刀具的其它規(guī)程并詳細討論。
裝卸：由于刃口特別容易損壞，刀具必須非常仔細地進行裝卸。要避免與金屬觸碰，另外，手指甲的觸碰同樣會造成輕微的刃口損壞。
圖2 山高 Jabro的Premier精加工刀具
物流：在運輸過程中必須有保護措施。刀具被保護并用蠟密封在包裝盒內(nèi)。并張貼標簽“小心輕放”“不要重新包裝”。
測量和檢測：在醫(yī)療行業(yè)，可追溯性特別重要，為確保工藝質(zhì)量，采用封閉的工藝，所有刀具均有單一的激光標志。Helicheck設(shè)備可確保其可靠性和質(zhì)量標準，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)，并采用密封的研磨程序，質(zhì)檢報告附在刀具盒內(nèi)，以便客戶確認品質(zhì)。
刀具設(shè)置：操作者應(yīng)按照指示去除保護蠟，找到報告提供的正確直徑。刀具可以修磨達五次，明顯的磨損出現(xiàn)時，安全的包裝是必要的，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），注意徹底清理機床。金屬切屑與刀具直接接觸會損壞刃口。因此機床設(shè)備很有必要具備良好的過濾系統(tǒng)，以確保切削液清潔。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）。刀具的提前磨損可能是由于被加工材料聚乙烯不純。出現(xiàn)這種情況，必須關(guān)注采購環(huán)節(jié)。
1.2 結(jié)論
與球頭刀相比，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5倍），可以同時提高品質(zhì)和降低成本，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，髖關(guān)節(jié)臼杯（圖4）具有不同的尺寸和厚度，是植入件的一個部件。在這個章節(jié)中，詳細介紹了這些醫(yī)療元件的加工。
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。另一個要銑削的區(qū)域是孔的背面，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，這種材料的加工特點廣為人知：理想的切削條件下，可使用高達275 m/min的切削速度。可獲得的進給速率與刀具直徑及切削寬度有關(guān)。例如一個d10 mm的刀具，切削寬度為0.3 mm，進給量可達0.1 mm/z。
工件實際上是一個半球面，阻轉(zhuǎn)面在球形內(nèi)側(cè)，孔是從內(nèi)向外鉆銑（徑向），同樣可以加工背面。
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?？紤]到工件的幾何形狀以及薄的邊緣，可以使用d4 mm的JH910系列刀具，此刀具具有Tribon涂層，可以用于銑削定位面。最適宜的線速度為120 m/min，進給量為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行加工。配合工件的圓柱形/球形幾何結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種特制的復(fù)合鉆頭，用于一次加工兩個特征。鉆頭的線速度大約在40 m/min時，加工壽命較好，加工工藝和孔公差的要求均可達到。背面加工刀具需根據(jù)不同的尺寸進行定制，這種新的設(shè)計是一種T形槽刀具，切削直徑d5.4 mm。必須加工孔邊緣的1.8 mm寬的區(qū)域，故柄部直徑只有d1.6 mm。這當(dāng)然限制了參數(shù)的提高，但綜合優(yōu)化的硬質(zhì)合金基體，以及幾何結(jié)構(gòu)和加工策略，此工藝十分優(yōu)良。線速度可以在60m/min左右，應(yīng)用螺旋插補銑。
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)這種操作要求進行優(yōu)化，加工參數(shù)受限。使用標準鉆頭分兩步鉆孔，再有一個球頭刀銑圓弧面，還需要一個額外的去毛刺步驟。背部用一種鏜刀進行加工，一個操作可完成加工。
由于此加工操作切削力的作用，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)，加工時也容易產(chǎn)生刀具振動。
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%。
3 齒科植入體
與外科植入物相接近，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，Zr，PMMA（透明熱塑性塑料），Ti，E.max CAD（創(chuàng)新型焦硅酸鋰微晶陶瓷）。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、支架、植入體和齒橋。
在這些不同的材料和組件中，下面討論一下優(yōu)化的鈦合金齒橋加工工藝。
圖5 鈦合金齒橋
這個部件有二級鈦加工而成。沒有五級鈦的強度高。純度為99,6%，相對較軟。抗拉強度正好是臨床要求的水準275 MPa。最高的抗拉強度為345 MPa，通常用于抗腐蝕應(yīng)用中。
3.1 應(yīng)用實例
加工工藝包括d8mm及d2mm立銑刀做粗加工和精加工。設(shè)備為Willemin-Macodel，功率10 kW，最高轉(zhuǎn)速30000 rpm。主軸規(guī)格為HSK E40，熱縮刀柄，刀具懸長28 mm。刀具為Jabro的JH920結(jié)構(gòu)兩刃銑刀，加工時間11分鐘，裝刀1分鐘。加工成本一小時€ 76。一年加工9000件（40件/天*每周6天）。
為改善此應(yīng)用，采用了不同的刀具進行了測試。包括快進給刀具（JHF180 & JHF 980，定制涂層），一把高性能刀具和一個微型刀具。
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)進行測試后，取得最好結(jié)果的是JHF980K080-MEGA，減少加工時間達7分鐘，切削參數(shù)如圖6所示。
|
切削速度Vc (m/min)
|
80
|
|
n (rpm)
|
5175
|
|
每齒進給量fz (mm)
|
0.25
|
|
進給速度Vf (mm/min)
|
2587
|
|
切削深度ap (mm)
|
0.25
|
|
切削寬度ae (mm)
|
5.5 mm – 8mm
|
|
冷卻液
|
乳化液
|
圖6 JHF980K080-MEGA的切削參數(shù)
接下來采用的4刃刀具JM920，能減少50%的加工時間，顯著提高刀具壽命。切削參數(shù)如圖7所示。
|
刀具
|
老
|
新
|
|
Dc (mm)
|
2
|
2
|
|
Zn
|
2
|
4
|
|
Vc (m/min)
|
63
|
113
|
|
n (rpm)
|
10027
|
17985
|
|
fz (mm)
|
0.0075
|
0.0028
|
|
Vf (mm/min)
|
150
|
201
|
|
ap (mm)
|
0.1
|
0.1
|
|
ae (mm)
|
2
|
2
|
|
Tc (min)
|
10
|
5
|
|
刀具壽命(min)
|
180
|
300
|
圖7 JM920與老刀具的切削參數(shù)對照
有了這些改善之后，還進行了生產(chǎn)率&成本分析（PCA）。結(jié)果顯示年成本節(jié)約為45%，大約相當(dāng)于750小時的工作量。詳細見圖8。
|
刀具
|
老
|
新
|
|
單件機床成本
|
€ 12.66
|
€ 6.33
|
|
年產(chǎn)量
|
9000
|
9000
|
|
每年機床成本
|
€ 113940
|
€ 56970
|
|
刀具采購價格
|
€ 20.85
|
€ 27.44
|
|
換刀頻率
|
18 pcs.
|
60 pcs.
|
|
單件刀具成本
|
€ 1.15
|
€ 0.46
|
|
單件總成本
|
€ 13.81
|
€ 6.79
|
|
年度總成本
|
€ 124290
|
€ 61110
|
|
每年成本節(jié)省
|
€ 63180 (51%)
|
|
圖8 JM920刀具的PCA分析
4 總結(jié)
這篇文章中，我們集中關(guān)注醫(yī)療行業(yè)。正如開始所說的，全球的骨科植入件及齒科植入體市場迅速增長。這里介紹的詳細應(yīng)用表明了山高刀具集團在這個行業(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，為金屬切削領(lǐng)域添磚加瓦。
