精细医疗源自高精密制造
随着人们生活质量的提高和中国政府在公共健康与医疗保健服务方面的持续投入，中国市场对医疗器械的需求增长迅猛。然而市场竞争也日益激烈，尤其是高端医疗器械和用具市场，国内的企业亟待通过工艺创新提高产品质量来与进口产品竞争。
瑞士GF阿奇夏米尔集团作为世界工模具及精密零件加工行业的系统供应商，始终将开发医疗领域的精密加工技术作为重点的应用发展领域，开发了适合医疗加工应用的高速高性能加工中心和放电加工机床以及相关的工艺应用技术，大大提高了相关零件的加工质量和加工效率，因此GF阿奇夏米尔成为了医疗技术加工领域世界范围内第一流的加工设备供应商，其产品在世界各地的著名医疗器械加工企业都有应用。
目前，国内发展迅速的骨科植入物的加工是GF阿奇夏米尔机床的一个重点应用领域。骨科植入物多采用钛合金或不锈钢，主要零件有接骨板、人工关节、骨钉以及辅助工具骨锉等。本文将以接骨板、骨锉和膝关节骨垫的加工为例来说明采用高速高性能铣削加工中心加工医疗器械零件的优势以及GF阿奇夏米尔和中国的医疗行业用户一起开发优化加工工艺的过程。
接骨板多采用钛合金材料（图1），分为不同的规格尺寸，每种尺寸有一定的批量要求，因此属于多品种中小批量生产，对加工效率和设备的加工柔性要求很高。接骨板的表面形状为3D曲面，在3D曲面上分布着多个通孔。由于孔中心线与曲面的法线重合，因此各个孔中心互相不平行，如果采用传统加工方法，在普通3轴立式加工中心上采用多次定位加工，效率低，精度一致性差，而且夹具复杂。采用GF阿奇夏米尔专为小型精密零件加工推出的MIKRON UCP600 Vario 5轴高速加工中心，配置20000r/min高速电主轴来进行加工，通过工作台摆动定位，可以在工件一次装卡的情况下完成整个加工，节省了大量的装卡时间，提高了工件的精度一致性。
图1 接骨板多采用钛合金材料
然而用户在加工中发现，虽然加工效率大大提高，但是仍未能达到最理想的状态。客户希望使用专用夹具一次装卡多个工件加工，但是发现在多个工件加工时刀具与工作台有干涉。GF阿奇夏米尔中国的应用工程师对用户的工艺进行了分析，发现干涉问题是由于用户设计的夹具高度太低，建议将夹具增高80mm，这样可以同时装卡4个工件，而且可以使用普通长度的刀柄，既增加了效率又降低了刀具采购成本。工程师同时建议将原来的粗加工钻孔工艺改为用球头铣刀插补铣孔，这样将客户原有的11把刀、13次换刀减少到8把刀、8次换刀。仅仅由于装卡方案改进和换刀次数减少，平均在每个工件上的时间就减少了2.4min，同时由于一次装卡4 个工件，还节省了C 轴B轴旋转定位的时间大概每件1.5min。再加上优化工艺所节省的时间，单个零件的加工时间从原来的24分40秒缩短到18分30秒，效率提高25%，用户非常满意。
骨锉作为骨科手术的重要工具，形状复杂而且材料硬度大，需要用5轴联动机床来加工。对于长骨锉，由于形状细长，如果采用普通5轴机床立式装卡（图2），加工时力臂太长，而且为了避免干涉需要采用较长的刀具，加工刚性很差，振动很大。
图2 对于长骨锉，由于形状细长，如果采用普通5轴机床立式装卡nextpage
GF阿奇夏米尔的MIKRON UCP 600 Vario RTT 是采用扭矩电机直接驱动工作台的5轴联动高速加工中心（图3），大的工作台摆动范围和20000r/min的高速电主轴保证了骨锉复杂形状的加工。该机床集成了自动尾座系统，可以两端夹持工件，工作台摆动到水平位置进行加工。而且专为5轴回转类零件设计的工作台面尺寸适中，避免了刀具干涉，可以选择正常长度的刀具。同时尾座顶尖的压力可根据不同零件而调节，保证了装卡的稳定性，加工中的振动明显减少，因而可以达到高质量的加工效果。
图3 MIKRON UCP 600 Vario RTT 5轴联动加工中心
膝关节骨垫采用高分子聚乙烯材料，3D轮廓曲面，对表面质量的要求较高。这种材料非常适合采用高速铣削，可以采用大吃刀量高转速加工，不仅提高加工效率，而且大大提高表面质量。采用GF阿奇夏米尔MIKRON HSM 500高速铣削立式加工中心，配置42000r/min高速电主轴，采用粗、精加工整体硬质合金立铣刀各一把，精加工采用满转速（42000r/min）进行加工，整个加工仅用时23min，表面粗糙度可达到Ra0.4μm。
图4 膝关节骨垫采用高分子聚乙烯材料，3D轮廓曲面，对表面质量的要求较高
通过以上加工实例可以看出，采用先进的加工设备和应用技术，可以大大提高医疗领域关键零件的加工质量和加工效率。由于医疗领域零件的多品种中小批量的生产特点，在选择机床时一定要充分考虑其加工灵活性和工艺的适应性。而且供应商的应用技术实力也不容小觑，有些用户采购了著名品牌的高档机床却发挥不了很好的效用，主要的原因之一是厂家的应用支持不够，越是复杂的机床设备越是需要强有力的应用支持。
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