医用零件的攻丝加工

    医用零件的攻丝加工需要考虑普通加工无需考虑的一些独特要求。

    医用零件的攻丝加工有两个突出特点：尺寸小和难加工。许多医用零件尺寸微小，并且往往是用难加工材料制成。因此，制定医用零件的攻丝加工策略通常需要考虑许多因素，包括刀具几何形状、机床性能、刀具夹头、切削液以及工件本身。需要进行攻丝加工的医用零件包括植入人体的各种器件（如髋关节和膝关节置换件），以及手术器械等。

    尺寸小是医用零件攻丝加工的一大特点。欧士机（OSG Tap & Die）公司加工专家Ed Goodman指出，“通常，加工医用零件需要的丝锥直径很少超过12.7mm，它们大多在6.35mm以下。”

    医用零件的主要材料包括医疗级不锈钢、钛和钴铬合金。大多数丝锥制造商都有为加工某种材料而专门设计的产品线。Goodman表示，“加工用钛合金制造的医用零件可能需要与加工不锈钢医用零件完全不同的丝锥。”

    工件材料

    有很大比例的医用植入件都是用钛合金制成。Greenfield工业公司技术销售营销专家Ray Moring说，“钛合金既坚固又轻巧的特点使其成为用于医疗行业极具吸引力的合金材料。”

    使钛合金不易攻丝加工的一种特性是其具有的高弹性记忆。在攻丝加工时，这种材料会“收缩”和抱紧丝锥，从而增大切削刃的磨损。Goodman解释说，“钛的弹性模量很小，使其容易在丝锥的螺纹迹线周围发生坍缩。这是钛合金的一种特性。解决方案是留有足够的余隙。为加工钛合金而设计的丝锥增加了额外的背锥，其锥度从前锥部（切削刃）一直到螺纹后部。这种背锥为成功进行钛合金攻丝提供了必要的余隙。丝锥增加了背锥后，坍缩的钛合金实际上就不会与丝锥后部接触。丝锥是通过前部的倒棱来切削或挤压形成螺纹，增加背锥并不会影响其切削性能。它可能会使丝锥强度略有降低，但却消除了因钛合金‘弹性’而引起的各种问题。”

    如果钛合金抱紧丝锥，使其无法旋转，丝锥就有可能折断。由于攻丝通常是最终工序之一，加工车间为加工该零件已经投入了大量时间和金钱。如果丝锥折断，并且无法从工件中取出，该工件最终就只能报废。

    医疗领域还使用各种类型的不锈钢，主要用于制造医疗器械。据OSG公司介绍，其VC-10丝锥用于对某些常用不锈钢（如17-4和15-5沉淀硬化钢）的攻丝加工。该丝锥用粉末合金制造，其中所含的钴可以提供更高的硬度，而所含的钒可以提供更高的耐磨性。这种丝锥的一个版本也可用于加工钛合金。

    精密多马（Precision Dormer）公司也提供粉末冶金（P/M）丝锥。该公司运营总监Bob Maxey说，“通常，可以用钒粉末合金制造的丝锥加工不锈钢和钛合金。钒粉末合金的组织结构均匀，可提高刀具的韧性、强度和耐磨性。整体硬质合金丝锥由于脆性较大，通常不推荐用于加工钛合金和不锈钢。”

    加工不锈钢的丝锥具有锋利的正切削刃，用于剪切工件材料。Goodman说，“加工不锈钢的丝锥可能会采用6°－8°的切削刃。”

    加工不锈钢零件时还需要注意另一个问题。Goodman指出，“虽然可以用挤压成形丝锥加工其他一些不锈钢零件，但在加工医用零件时不能使用这种丝锥，因为其加工出的螺纹小径截面上存在很小的缝隙，其中可能会聚集细菌。”

    钴铬合金是比较难以攻丝的材料之一，因为其硬度很高，通常需要采用整体硬质合金丝锥加工。但是，由于硬质合金脆性较大，因此丝锥容易发生崩刃。

    Goodman说，“我们只有在用户加工胫骨垫片时才会使用某些硬质合金丝锥，这些垫片用在钴铬合金材料制造的人工膝盖的胫骨托下面。我们需要使用自己开发的Exo-Carb VX丝锥，这是一种用于加工硬质材料的硬质合金丝锥。”由于钴铬合金硬而脆，加工时需要额外的支持，因此，这种丝锥采用了切削角接近于0°的非正非负型切削刃。如果采用正切削刃，硬质合金丝锥就很容易崩刃。

    丝锥采用薄膜涂层可以改善润滑性、耐热性、耐磨性和排屑性能。Maxey说，“通常，顶部采用多层软涂层的TiAlN涂层有助于改善切屑的流动性。”

    机床与夹头

    几乎任何类型的机床——车床、钻床、卧式和立式
加工中心——都能用于医用零件的攻丝加工。丝锥对振动特别敏感，加工振动可能会降低螺纹质量和缩短丝锥寿命，因此，加工机床和丝锥夹头必须具有足够的刚度。

    德国DMG公司重要客户经理Uli Sutor表示，“对于难加工材料，需要采用具有高刚度、高扭矩，主轴和导轨刚性好的机床加工。此外，与传统的滚珠丝杠传动相比，直线电机能够在攻丝加工中提供更快的速度和加速度。”他还指出，随着加工车间需要为不断增长的医疗行业加工更多零件，生产场地成为一个问题。“大部分医用零件尺寸都非常小，可以用小型机床加工。例如，我们的DMU 40新型医用机床用于加工人工膝盖或骨板等零件，其占地面积只有3平方米，仅为通常所用机床的一半。”该公司的HSC 20 linear高速铣床占地面积也很小，非常适合加工小型医用零件。

    Sutor说，“用这些机床切削加工时，最重要的是加速度。加工小型医用零件对机床动态性能要求很高。我们的机床可以提供2G的加速力。加工时，不同的轴要进行不同的运动，它们总是在不断加速和减速。例如，在加工一种小型脊骨零件时，我们采用与竞争对手之一相同的运动轴和主轴速度，但由于我们的机床具有更高的加速度，因此其加工效率要高30％。”

    新型CNC数控机床通常都能进行刚性（同步）攻丝。Greenfield公司的Moring说，“这些类型的机床可以控制攻丝循环，使主轴的转动与丝锥的进给在顺时针和逆时针方向均保持同步。”

    当无法进行同步攻丝时，可以采用拉伸/压缩夹头进行补偿。Goodman说，“拉伸/压缩夹头可以补偿实际进给率与主轴转速之间的任何不同步。如果机床的同步性不太好，这种夹头中的弹簧就可以对丝锥旋转时在轴向上产生的任何偏差进行补偿。”

    切屑堵塞可能会导致丝锥损坏和螺纹质量下降。不锈钢会产生细长而不易折断的切屑；钛合金也不易分断为便于处理的碎屑；而钴铬合金却能生成较小的切屑。

    然而，对通孔进行攻丝加工时，通过采用螺旋尖头（枪型）丝锥，可以简化切屑处理。这种刀具可将切屑推向丝锥前方——向前“射出”切屑。对于盲孔攻丝，则可采用螺旋槽丝锥，将切屑向后推出孔口。

    精密多马的Maxey指出，丝锥的槽形对于其排屑性能至关重要，“我们的丝锥采用了三种半径的槽形，可在整个排屑槽长度上保持恒定的倾角，从而获得更好的排屑效果和更精确的螺纹廓形。”

    切削液

    对刀具/工件界面恰当的冷却和润滑，对于延长刀具寿命和保护螺纹表面光洁度至关重要。Cheme
tall公司金属加工市场营销经理Karen Eisenhauer指出，“在刀具与工件的接触点会产生大量切削热，因此需要对其进行冷却。摩擦产生的热量会加剧刀具磨损，并使金属表面硬化或变形。”

    Eisenhauer对于医疗植入器件既有专业经验，又有个人体验。她说，“我的右腿中就植入了一个钛合金踝关节以及螺钉和金属板。因此，医用零件生产行业不仅要关注加工工艺与性能，而且还必须注意加工时所用的切削液，因为植入的金属器件表面必须非常理想，才能与人的骨骼完美结合。”

    由于攻丝时存在很大压力和金属与金属之间的摩擦，因此润滑是切削液的另一项重要功能。Eisenhauer指出，“我们试图通过润滑作用，在工件上形成一层保护膜，以获得良好的表面光洁度。我们希望这层保护膜使刀具攻丝时不会产生大量切削热。”

    为了获得良好的冷却和润滑性能，Goodman建议采用一种水溶性切削液。虽然切削油可以提供最佳润滑性能，但它是一种绝缘体，因此冷却效果很差；而水基切削液冷却效果很好，但润滑性较差。Goodman说，“我们希望切削液具有良好的冷却性能，同时又有足够有效的润滑性。冷却液的浓度通常为5％－10％，其余部分是水。我们一直鼓励用户尽可能提高冷却液的浓度，以增强其润滑性。如果我们能将冷却液浓度提高到10％或12％，就能显著改善润滑性能。”

    加工医用零件时，切削液所用的水至关重要，大多数制造商都使用比蒸馏水纯度更高的超纯水。Eisenhauer说，“使用超纯水的困难在于，它会产生此类加工系统不能接受的大量泡沫。超纯水是软水，因此含有表面活性剂的任何冷却液都可能会产生较多泡沫，除非专门定制不会起泡的冷却液。”Cheme
tall公司的TechCool 35075Z就是为加工医疗行业金属材料而专门定制的冷却液。除了攻丝以外，这种冷却液也可用于钻削和铰削加工。通常，钻削和铰削对表面质量的要求不如攻丝严格，因此，在攻丝时，可以增大切削液浓度，以提高润滑性能。

    每个制造商对加工后零件的处理方式各不相同，但目的只有一个：必须对零件进行灭菌清洁，以满足医疗行业严苛的洁净度要求。Eisenhauer说，“很多时候，用户都有自己特定的健康性和安全性要求，并且不允许在自己的工厂中使用某些化学药剂。例如，某些工厂不允许使用氯化物来消毒，而另一些工厂不允许在现场使用杀菌剂。”

    采用水溶性切削液加工的医用零件在准备清洁时残留物最少，并且这些少量残留物溶于水，因此很容易被清除。

    当然，用户在购买某种切削液之前，还需要对其进行内部测试，用它进行试加工，评估加工效果和刀具寿命，以及对清洁工艺的影响，以确定该切削液能否满足要求。

    除了切削液以外，还应该优化所有的加工要素，确保攻丝加工的经济性和生产率。由于医用零件在原材料上投资不菲，并在加工过程中附加了大量价值，因此，高度重视最终的攻丝加工是非常值得的。