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醫(yī)用零件的攻絲加工需要考慮普通加工無需考慮的一些獨特要求。
醫(yī)用零件的攻絲加工有兩個突出特點：尺寸小和難加工。許多醫(yī)用零件尺寸微小，并且往往是用難加工材料制成。因此，制定醫(yī)用零件的攻絲加工策略通常需要考慮許多因素，包括刀具幾何形狀、機床性能、刀具夾頭、切削液以及工件本身。需要進行攻絲加工的醫(yī)用零件包括植入人體的各種器件（如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換件），以及手術(shù)器械等。
尺寸小是醫(yī)用零件攻絲加工的一大特點。歐士機（OSG Tap & Die）公司加工專家Ed Goodman指出，“通常，加工醫(yī)用零件需要的絲錐直徑很少超過12.7mm，它們大多在6.35mm以下?！?
醫(yī)用零件的主要材料包括醫(yī)療級不銹鋼、鈦和鈷鉻合金。大多數(shù)絲錐制造商都有為加工某種材料而專門設(shè)計的產(chǎn)品線。Goodman表示，“加工用鈦合金制造的醫(yī)用零件可能需要與加工不銹鋼醫(yī)用零件完全不同的絲錐?！?br /> 工件材料
有很大比例的醫(yī)用植入件都是用鈦合金制成。Greenfield工業(yè)公司技術(shù)銷售營銷專家Ray Moring說，“鈦合金既堅固又輕巧的特點使其成為用于醫(yī)療行業(yè)極具吸引力的合金材料。”
使鈦合金不易攻絲加工的一種特性是其具有的高彈性記憶。在攻絲加工時，這種材料會“收縮”和抱緊絲錐，從而增大切削刃的磨損。Goodman解釋說，“鈦的彈性模量很小，使其容易在絲錐的螺紋跡線周圍發(fā)生坍縮。這是鈦合金的一種特性。解決方案是留有足夠的余隙。為加工鈦合金而設(shè)計的絲錐增加了額外的背錐，其錐度從前錐部（切削刃）一直到螺紋后部。這種背錐為成功進行鈦合金攻絲提供了必要的余隙。絲錐增加了背錐后，坍縮的鈦合金實際上就不會與絲錐后部接觸。絲錐是通過前部的倒棱來切削或擠壓形成螺紋，增加背錐并不會影響其切削性能。它可能會使絲錐強度略有降低，但卻消除了因鈦合金‘彈性’而引起的各種問題?！?br /> 如果鈦合金抱緊絲錐，使其無法旋轉(zhuǎn)，絲錐就有可能折斷。由于攻絲通常是最終工序之一，加工車間為加工該零件已經(jīng)投入了大量時間和金錢。如果絲錐折斷，并且無法從工件中取出，該工件最終就只能報廢。
醫(yī)療領(lǐng)域還使用各種類型的不銹鋼，主要用于制造醫(yī)療器械。據(jù)OSG公司介紹，其VC-10絲錐用于對某些常用不銹鋼（如17-4和15-5沉淀硬化鋼）的攻絲加工。該絲錐用粉末合金制造，其中所含的鈷可以提供更高的硬度，而所含的釩可以提供更高的耐磨性。這種絲錐的一個版本也可用于加工鈦合金。
精密多馬（Precision Dormer）公司也提供粉末冶金（P/M）絲錐。該公司運營總監(jiān)Bob Maxey說，“通常，可以用釩粉末合金制造的絲錐加工不銹鋼和鈦合金。釩粉末合金的組織結(jié)構(gòu)均勻，可提高刀具的韌性、強度和耐磨性。整體硬質(zhì)合金絲錐由于脆性較大，通常不推薦用于加工鈦合金和不銹鋼。”
加工不銹鋼的絲錐具有鋒利的正切削刃，用于剪切工件材料。Goodman說，“加工不銹鋼的絲錐可能會采用6°－8°的切削刃?！?br /> 加工不銹鋼零件時還需要注意另一個問題。Goodman指出，“雖然可以用擠壓成形絲錐加工其他一些不銹鋼零件，但在加工醫(yī)用零件時不能使用這種絲錐，因為其加工出的螺紋小徑截面上存在很小的縫隙，其中可能會聚集細(xì)菌?！?br /> 鈷鉻合金是比較難以攻絲的材料之一，因為其硬度很高，通常需要采用整體硬質(zhì)合金絲錐加工。但是，由于硬質(zhì)合金脆性較大，因此絲錐容易發(fā)生崩刃。
Goodman說，“我們只有在用戶加工脛骨墊片時才會使用某些硬質(zhì)合金絲錐，這些墊片用在鈷鉻合金材料制造的人工膝蓋的脛骨托下面。我們需要使用自己開發(fā)的Exo-Carb VX絲錐，這是一種用于加工硬質(zhì)材料的硬質(zhì)合金絲錐?！庇捎阝掋t合金硬而脆，加工時需要額外的支持，因此，這種絲錐采用了切削角接近于0°的非正非負(fù)型切削刃。如果采用正切削刃，硬質(zhì)合金絲錐就很容易崩刃。
絲錐采用薄膜涂層可以改善潤滑性、耐熱性、耐磨性和排屑性能。Maxey說，“通常，頂部采用多層軟涂層的TiAlN涂層有助于改善切屑的流動性。”
機床與夾頭
幾乎任何類型的機床——車床、鉆床、臥式和立式加工中心——都能用于醫(yī)用零件的攻絲加工。絲錐對振動特別敏感，加工振動可能會降低螺紋質(zhì)量和縮短絲錐壽命，因此，加工機床和絲錐夾頭必須具有足夠的剛度。
德國DMG公司重要客戶經(jīng)理Uli Sutor表示，“對于難加工材料，需要采用具有高剛度、高扭矩，主軸和導(dǎo)軌剛性好的機床加工。此外，與傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動相比，直線電機能夠在攻絲加工中提供更快的速度和加速度?！彼€指出，隨著加工車間需要為不斷增長的醫(yī)療行業(yè)加工更多零件，生產(chǎn)場地成為一個問題?！按蟛糠轴t(yī)用零件尺寸都非常小，可以用小型機床加工。例如，我們的DMU 40新型醫(yī)用機床用于加工人工膝蓋或骨板等零件，其占地面積只有3平方米，僅為通常所用機床的一半?！痹摴镜腍SC 20 linear高速銑床占地面積也很小，非常適合加工小型醫(yī)用零件。
Sutor說，“用這些機床切削加工時，最重要的是加速度。加工小型醫(yī)用零件對機床動態(tài)性能要求很高。我們的機床可以提供2G的加速力。加工時，不同的軸要進行不同的運動，它們總是在不斷加速和減速。例如，在加工一種小型脊骨零件時，我們采用與競爭對手之一相同的運動軸和主軸速度，但由于我們的機床具有更高的加速度，因此其加工效率要高30％?！?br /> 新型CNC數(shù)控機床通常都能進行剛性（同步）攻絲。Greenfield公司的Moring說，“這些類型的機床可以控制攻絲循環(huán)，使主軸的轉(zhuǎn)動與絲錐的進給在順時針和逆時針方向均保持同步?！?br /> 當(dāng)無法進行同步攻絲時，可以采用拉伸/壓縮夾頭進行補償。Goodman說，“拉伸/壓縮夾頭可以補償實際進給率與主軸轉(zhuǎn)速之間的任何不同步。如果機床的同步性不太好，這種夾頭中的彈簧就可以對絲錐旋轉(zhuǎn)時在軸向上產(chǎn)生的任何偏差進行補償?！?br /> 切屑堵塞可能會導(dǎo)致絲錐損壞和螺紋質(zhì)量下降。不銹鋼會產(chǎn)生細(xì)長而不易折斷的切屑；鈦合金也不易分?jǐn)酁楸阌谔幚淼乃樾迹欢掋t合金卻能生成較小的切屑。
然而，對通孔進行攻絲加工時，通過采用螺旋尖頭（槍型）絲錐，可以簡化切屑處理。這種刀具可將切屑推向絲錐前方——向前“射出”切屑。對于盲孔攻絲，則可采用螺旋槽絲錐，將切屑向后推出孔口。
精密多馬的Maxey指出，絲錐的槽形對于其排屑性能至關(guān)重要，“我們的絲錐采用了三種半徑的槽形，可在整個排屑槽長度上保持恒定的傾角，從而獲得更好的排屑效果和更精確的螺紋廓形。”
切削液
對刀具/工件界面恰當(dāng)?shù)睦鋮s和潤滑，對于延長刀具壽命和保護螺紋表面光潔度至關(guān)重要。Chemetall公司金屬加工市場營銷經(jīng)理Karen Eisenhauer指出，“在刀具與工件的接觸點會產(chǎn)生大量切削熱，因此需要對其進行冷卻。摩擦產(chǎn)生的熱量會加劇刀具磨損，并使金屬表面硬化或變形?！?br /> Eisenhauer對于醫(yī)療植入器件既有專業(yè)經(jīng)驗，又有個人體驗。她說，“我的右腿中就植入了一個鈦合金踝關(guān)節(jié)以及螺釘和金屬板。因此，醫(yī)用零件生產(chǎn)行業(yè)不僅要關(guān)注加工工藝與性能，而且還必須注意加工時所用的切削液，因為植入的金屬器件表面必須非常理想，才能與人的骨骼完美結(jié)合?！?br /> 由于攻絲時存在很大壓力和金屬與金屬之間的摩擦，因此潤滑是切削液的另一項重要功能。Eisenhauer指出，“我們試圖通過潤滑作用，在工件上形成一層保護膜，以獲得良好的表面光潔度。我們希望這層保護膜使刀具攻絲時不會產(chǎn)生大量切削熱。”
為了獲得良好的冷卻和潤滑性能，Goodman建議采用一種水溶性切削液。雖然切削油可以提供最佳潤滑性能，但它是一種絕緣體，因此冷卻效果很差；而水基切削液冷卻效果很好，但潤滑性較差。Goodman說，“我們希望切削液具有良好的冷卻性能，同時又有足夠有效的潤滑性。冷卻液的濃度通常為5％－10％，其余部分是水。我們一直鼓勵用戶盡可能提高冷卻液的濃度，以增強其潤滑性。如果我們能將冷卻液濃度提高到10％或12％，就能顯著改善潤滑性能。”
加工醫(yī)用零件時，切削液所用的水至關(guān)重要，大多數(shù)制造商都使用比蒸餾水純度更高的超純水。Eisenhauer說，“使用超純水的困難在于，它會產(chǎn)生此類加工系統(tǒng)不能接受的大量泡沫。超純水是軟水，因此含有表面活性劑的任何冷卻液都可能會產(chǎn)生較多泡沫，除非專門定制不會起泡的冷卻液?！盋hemetall公司的TechCool 35075Z就是為加工醫(yī)療行業(yè)金屬材料而專門定制的冷卻液。除了攻絲以外，這種冷卻液也可用于鉆削和鉸削加工。通常，鉆削和鉸削對表面質(zhì)量的要求不如攻絲嚴(yán)格，因此，在攻絲時，可以增大切削液濃度，以提高潤滑性能。
每個制造商對加工后零件的處理方式各不相同，但目的只有一個：必須對零件進行滅菌清潔，以滿足醫(yī)療行業(yè)嚴(yán)苛的潔凈度要求。Eisenhauer說，“很多時候，用戶都有自己特定的健康性和安全性要求，并且不允許在自己的工廠中使用某些化學(xué)藥劑。例如，某些工廠不允許使用氯化物來消毒，而另一些工廠不允許在現(xiàn)場使用殺菌劑?！?br /> 采用水溶性切削液加工的醫(yī)用零件在準(zhǔn)備清潔時殘留物最少，并且這些少量殘留物溶于水，因此很容易被清除。
當(dāng)然，用戶在購買某種切削液之前，還需要對其進行內(nèi)部測試，用它進行試加工，評估加工效果和刀具壽命，以及對清潔工藝的影響，以確定該切削液能否滿足要求。
除了切削液以外，還應(yīng)該優(yōu)化所有的加工要素，確保攻絲加工的經(jīng)濟性和生產(chǎn)率。由于醫(yī)用零件在原材料上投資不菲，并在加工過程中附加了大量價值，因此，高度重視最終的攻絲加工是非常值得的。
刀具信息網(wǎng) 責(zé)任編輯：小山
文章來源：中國刀具信息網(wǎng)
