动脉瘤关闭夹的精密制造
钟表制造成为精密制造的代表。动脉瘤关闭夹的制造会不会成为下一个挑战呢？“MPPM”的回答是“NO”，因为他们找到了解决这一加工难题的方法。
动脉瘤关闭夹的微小轮廓是一项极富挑战性的工作
1961年生于新西兰，Cotton是钟表经销商。2002年4月，Cotton和妻子不幸遭遇车祸。一度不得不放弃钟表制造。
那次事故之后，Cotton在温哥华的一家软件公司担任销售经理。辗转温哥华后，重新从事维修工作。2004年，他成立了Micro Precision Parts Manufacturing Ltd.，进军温哥华钟表修理市场。
现在，MPPM生产名品手表和钟表所用的零部件和维修件，并且成为了其它产业微加工零部件的代理加工商，包括加拿大知名机器人生产公司以及美国和加拿大的医疗机构。
哈斯机床带来产量增加
目前，MPPM拥有3台哈斯—两台OM-2A办公室铣床，一台OL-1办公室车床。除此之外，还有Sherline Benchtop 铣床和车床。
Cotton对于哈斯机床的性能非常满意。短短一年时间，公司的产量由原来的10-20%增加到了80%左右。“我发现这些小零件商机无限。”Cotton说，“其他人得知我们能够加工如此精密的小零件之后，都纷纷找到我们，请求我们帮助他们加工轮船自动驾驶仪精密齿轮、微型照相机外壳以及其它医疗用具，例如动脉瘤关闭夹。”
首台哈斯办公室铣床的出色表现让Cotton毫不犹豫地购买了第二台OM-2A，以及用于车削的OL-1。OL-1主轴配备5C套爪卡盘，转速达6000，全C轴、8英寸×12英寸（XZ行程）。像办公室铣床一样，它的体积也很小，这样Cotton住宅的地下室里就可以放下这三台机器了。
“OL-1与铣床构成了完美搭档。”Cotton解释说，“组装就绪后，我们可以进行轴向和纵向加工，一次装夹即可完成多道工序。”
迎接陶瓷材料的挑战
Cotton向我们介绍说：“我们加工过医疗用钛合金、氧化铝、硅硼、氮化硼以及质地极其坚硬的氮化硅等。”“陶瓷是制造医疗用具的理想材料，” Cotton补充说，“但这种材料的加工难度和制造成本都很大。如果我们加工一个钛合金部件需要4天的话，那么我们加工陶瓷材质的部件达到同样的精度则需要7-10天。利用碳钢材质的刀具即可加工钛合金或其它材质的配料，但加工陶瓷是却需要使用镶嵌金刚石的铣刀。我们曾经尝试过一系列的刀具——一些PCD、CBN、立方氧化锆——但刀具一碰到陶瓷就碎掉了。”
Cotton加工陶瓷材料的突发奇想源自一家坐落于温哥华的机械设备制造商——Co
ncept Solutions Inc.(CSI)。“我们正在研制一种高科技外科手术移植部件——动脉瘤关闭夹——需要用陶瓷材质制作。”CSI技术总监James Klassen解释说。
Klassen选择陶瓷有以下几点原因。像钛合金一样，陶瓷适合人体内植并且无磁性，因此产生的排异反应相对较小，但与钛合金不同的是，它几乎不受磁源的任何影响。“传统动脉瘤关闭夹完全由钛合金制造，”Klassen介绍说，“在磁共振影像实验中，这种材质的关闭夹周围会有一片阴影。但陶瓷材质的关闭夹就完全不会出现这种现象，因此医生可以随时察看病人体内血管夹的工作状况。这对于医生和病人而言都是有百利而无一害的，因为有些动脉瘤会随着时间的推移而不断增长。”
据业内专家估计，CSI公司的新式陶瓷动脉瘤关闭夹大约领先当时同类医疗技术30年，但在初始阶段加工方面的确困难重重。
“我们寻找了很多加工商，但均告失败。最后，我们只能决定自行购买机床进行加工。”
在寻找加工设备和刀具的过程中，Klassen偶遇了Cotton的工厂。“当时我正在网上搜寻金刚石铣刀，突然看到了Steve的工厂，我马上给他打了电话，他告诉我他不确定能不能做，但很乐意尝试。”
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“我作了一些研究，”Cotton说，“知道了氮化硅的硬度，它的确很硬。我找到了一些玛瑙，它们的硬度比氮化硅稍小一些，这样我就知道我需要做的事情了。”
“氮化硅的硬度与金刚石类似，”Klassen解释说，“用普通刀具根本无法加工，因此只能用金刚石刀具。切削动脉瘤关闭夹的微小轮廓是一项极富挑战性的工作，因为我们必须使用很小的刀具，并且配备高转速主轴以达到一定的表面线速度。”
Klassen告诉我们：“我们与Steve进行了详谈，并共同设计了一项实验，即用配备了1mm金刚石利口刀的哈斯办公室铣床对氮化硅滚珠轴承进行切削。”
实验很成功，Cotton随即接受了这项加工任务。
苦心经营换来高品质
这些长度仅为半英寸的部件由氮化硅实心棒料加工而成。它们的3D轮廓带有三个接触面，其中两个接触面公差必须为零，其它的公差为0.0004。
Cotton使用了镶嵌有金刚石的刀具，包括直径仅为0.016英寸的自定义端铣刀，其精加工程度非常好，可以达到800（约25微米）。“在使用那样小的钻头或端铣刀进行加工时，你需要转速高达200,000。这样小直径的刀具才能达到一定的表面线速度。”
Cotton使用配备NSK气动附加主轴的哈斯OM-2A进行加工。“我们使用M19指令对主轴进行定位，然后输入NSK单元，”Cotton解释道，“我们将主轴设定为最大转速200,000，并施加15mm/mim的进给率进行粗加工，然后施加10mm/mim的进给率进行精加工，并配合0.02mm的单步运行。”
MPPM车间里工人正在认真地工作
进行轮廓加工之前，Cotton对陶瓷部件的两个面进行打磨以达到零公差，以便于装夹和设定数据控制点。出于精度考虑，客户要求将胚料翻转进行多面加工，而不是使用第四轴。“我当时真的很惊讶，它们居然要求我们对翻转进行数据设定，那样的工作有时甚至需要两个小时的数据设定。”温度变化将影响装夹，因此，MPPM设定了恒温环境，所有机器加工之前都已处于加工温度状态。
功夫不负有心人，苦心经营换来了产品的高品质。“最初生产的一批样件误差仅为10微米，”Cotton介绍，“远小于预定公差20微米，因此我们都非常高兴。”质监部门对一系列钛合金弹簧（动脉瘤关闭夹的关键部件）进行检测，公差只有5微米。
“现在我们已经建立了加工氮化硅陶瓷的高效体系，”Cotton说，“我们的加工十分精细，生产最初的一批动脉瘤关闭夹大约花费了我们4周时间。但经过对速度、进给、冷却、刀具偏移的调整，我们已经将时间缩短到了1周。”
切削陶瓷零部件将用到附加高速气动主轴，在加工小工件时达到一定的表面速度，大部分钟表和光学部件加工工作都需要使用30,000转的主轴加以完成，但这对于哈斯机床来说易如反掌。
一块手表用表桥向我们证明了这一点。“它的厚度只有0.065英寸，”Cotton说，“而且我们需要在边缘侧向钻深度为0.025英寸的孔，恰好打穿表桥。我们大概每个月会遇到一次类似难度的加工任务。我们曾经加工过光学部件上的不锈钢金属底盘，它厚度大约4毫米，表面有10个规格不一的孔。主轴转速28,000，重大约10配克。钻头直径仅有大约0.012英寸，我真的吓坏了，”Cotton说，“这些小钻头你几乎看不到，但哈斯机床完美地完成了钻孔，丝毫不差。当你亲眼见证这样的精准的时候，简直就像做梦一样。”
MPPM公司所从事的工作令人难以置信。“我们拥有钟表加工中使用的特殊夹具，”Cotton介绍说，“当我们成功将公差控制为仅千分之二到千分之三的时候，我们会十分珍爱这个部件，毋庸置疑，它真的太棒了！”
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2022/10/4007.html