接骨板五轴加工中心加工工艺方案设计

蒋益坚

摘 要：随着科技的高速发展，新技术、新材料不断涌现，原本价格昂贵的高速、高精度五轴联动数控机床性价比不断提高，其价格已能被企业所接受，在国内逐渐被大量使用。随着计算机技术与软件技术的高速发展，国产多轴编程软件也已出现，原本价格昂贵的多轴编程软件价格不断降低，而软件的使用也逐渐变得简单易学。因此，采用新设备、新工艺提高生产率、提高产品精度不仅成为可能，更是企业降低成本，占领市场的必由之路。

关键词：接骨板；加工工艺；五轴

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.27.089

1 引言

原异形接骨板产品因受加工技术限制，都被设计成在一个平面上，但这样设计，不符合人骨结构，安装困难，也使患者多受痛苦。接骨板二代产品根据人骨的结构，其锁定孔和加压孔被设计成不同方向、不同角度，以便更好地与人骨连接，加快伤口愈合，减轻患者的痛苦。此工件原在三轴加工中心上加工，因要在曲面上加工不同方向的螺纹孔，因此使用的夹架数量多，安装次数多，生产效率低，且定位精度不高。为提高定位、加工精度和生产效率，现计划五轴加工中心进行加工。

2 五轴加工中心的工艺特点及机床类型

五轴加工就是在一台机床上实现五轴联动、五面体技术，可一次装夹，完成除第六面的所有的加工工序，从而保证了以高效率制造出高质量的零件。

2.1 五轴加工中心的加工特点

（1）一次装夹，五面加工，工序高度集中。

（2）可进行空间一般平面、孔系的加工。

（3）多轴联动调整刀具姿态，避免刀具干涉，能连续、平滑地进行空间曲面加工。

（4）曲面法线一般在-30°～210°，可使球刀获得合理的切削线速度，提高空间自由曲面加工精度、质量和效率。

（5）缩短刀长，消除振动提高表面精度、质量。

2.2 五轴加工中心的种类

多数实用五轴机床是由三个直线坐标轴和二个回转轴组成的，组成方式有三种：一种是刀具一侧有三个直线坐标轴加工件侧二个回转坐标轴的3+2轴零件定位；第二种是刀具一侧使用三个直线轴和一个回转轴，工件用一个回转轴驱动（ 倾斜式头架结构）；第三种是都在刀具侧的双摆头主轴头机。

3 异形骨接板加工方案设计与实施

3.1 产品分析

该产品是提供骨科手术时作骨折断端连接使用的内固定产品，通过螺钉与人体骨骼固定，板与钉之间配合固定，从而防止术后骨断端的倾斜，选择和移动。第一代产品各孔大多在同一平面，方便加工，普通三轴就可以，有角度的用专用夹具。第二代接骨板加了锁定功能，锁定加压接骨板主要特点是联合使用了偏心加压孔和圆锥形螺纹孔。偏心加压孔，可以使用常规螺钉产生轴向加压，也可以使用拉力螺钉把远处的碎骨块加压固定于骨干上。圆锥形螺纹孔和带螺纹的螺钉产生200°以上的锁定，足够维持钉板的成角与轴向稳定。

3.2 要解决的技术难点和预期提前的加工效率

（1）材料难加工：该产品使用材料为纯钛。钛的摩擦系数大，加工比较困难，再加上钛的导热性比较差，热量集中刀尖，会使刀尖软化。所以刀具要锋利，并且要充分冷却。

（2）锥孔螺纹加工。

锥螺纹铣刀在钛板上攻螺纹非常困难，为配合人体骨骼设计，该产品上有不同方向，不同角度多个螺纹孔，特备是小的锥螺纹，如使用机用丝锥攻丝，加工时处在半封闭状态切削，切削液难以达到切削区，散热及润滑效果差。由于钛弹性模数小，切削时回弹大，易出现“抱锥”，使摩擦扭矩增大，而造成丝锥常常会崩齿或扭断，产品报废。采用手工攻丝，生产效率太低，现采用螺纹铣刀铣螺纹。

（3）三轴加工中心加工时因要调整加工角度，所以需要5付夹具，装夹5次完成，装夹调整耗时长，且定位精度不高。现需要提高加工效率。预期一次装夹完成，并减少换刀次数，生产效率可提高3倍。

3.3 实施方案

3.3.1 加工设备选择与刀具材料的选择

骨接板属小型零件，主要是在成型材料加工不同方向，不同角度图7加装双转台加工中心多个螺纹孔，切削强度不大，根据上述两种机床类型的分析与比较选用摇篮式的工作台摆动机床合适，所以选用立式五轴加工中心NBV1060，加装A、 B 两轴摇篮式转台。A轴-45度到120度，B轴360度，加装A、 B 两轴摇篮式转台。A轴-45度到120度，B轴360度。采用FANUC 18i-MB5系统。

钛合金热传导率低，切削热会引起高温造成粘结，弹性模量，所以刀具选用硬质合金刀具，VF涂层（即（Al，Ti，Si）N涂层），冷却液选用嘉实多-Variocut c 700，有效的解决了以上问题。

3.3.2 工件的定位与装夹方式

工件夹具采用整体嵌入式装夹，因为零件压力成型，其形状有一定的变动，压紧采用7字形压板和双头螺钉，有效的解决了装夹方便及压板定位的问题。每一种产品的夹具都采用两面一销的方式固定在夹具座上，方便夹具的更换，和定位一致。

3.3.3 完整产品工序

投料、线切割外形、外形倒圆角、压力成型、整形、喷砂粗研、数控加工、倒角去毛刺、整形研磨、检验打印标记、钝化消毒包装。

3.3.4 数控加工路线的确定

（1） 60度定心钻曲面定心孔。（2） 钻导针孔2.1。（3） 钻锥螺纹底孔至3.9。（4） 孔口倒R4圆角（5） 锥铣刀扩孔至。（6） 铣锥螺纹。（7） 铣加压孔。（8） 加压孔倒圆角R3。

3.3.5 数控加工刀具卡

1 T01 6定心钻 D01；2 T02 2.1钻头 D02；3 T03 3.9钻头 D03；4 T04 R4球头刀 D04；5 T05 18°锥铣刀 D05；6 T06 螺纹铣刀 D06；7 T07 3立铣刀 D07；8 T08 R3球头刀 D08。

3.3.6 工序的确定

毛坯种类：成型板料；毛坯尺寸 ：220X12X2.2；材料牌號 TA3；设备名称加工中心。

设备型号 NBV1060；夹具名称：骨接板上曲面夹具。

4 总结

异形骨接板使用五轴加工中心加工，重新制订了加工工艺，与原工艺在相比。

（1） 减少了夹具的使用原使用夹具5副，现1副夹具就完成了曲面上所有孔的加工。

（2） 提高了锁定孔的位置精度多次装夹必然会有装夹误差产生，现一次装夹完成所有孔的加工，提高了孔的位置精度。

（3） 改攻丝为铣螺纹提高了螺纹的加工质量和效率，提高了成品率。

（4） 提高机床利用率原加工一件零件要经过五次装夹，加工一个孔需经多次换刀才能完成，机床等待时间长，切削加工时间少，利用率不高，现一次装夹集中刀具使用减少了装夹、换刀时间，极大提高了机床的利用率。

（5） 延长了刀具使用寿命通过五轴联动调整刀具姿态，使球刀在切削时有良好的线速度，控制线速度在40m/min这一钛合金较为理想的切削速度，同时选用超高压切削液，防止钛合金加工时产生的粘结，提高了刀具使用寿命。刀具使用寿命与原加工相比提高了40%以上。

该方案经生产实践确实可行，可靠的保证了产品精度，大大提高了生产效率，简化了工装夹具且更换产品方便。对比原工艺，原来在切削加工中耗时50分钟，现加工耗时12分钟，所耗工时是原来的四分之一，完成既定目标。

随着信息通信技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统的不断发展与结合，制造业向着智能化转型是必然趋势。对于医疗器具的制造来讲，未来发展方向就是要如何高速、高质量地根据病人的个性化需求制造出产品，以满足个性化治疗的需求，这就需要加工制造高度的敏捷和柔性，我认为这也是未来制造业的方向。