图1 膝关节植入件

    医疗行业中，齿科和整形外科植入件的制造迅速增长。髋关节和膝关节预计将持续增长至2030年，市场预期为500亿美元。去年，大约三百万人做了髋关节或膝关节置换，还有更多人将要做做髋关节或膝关节置换。全球齿科市场同样在迅速增长。有报道称，在2009-2014年间的平均增速预期为6.04%，市场将达到40亿美元。
    由于这些零件用于人体，故制造时有相当严格的控制，确保高品质。随着市场的迅速增长和成熟，成本控制对于保持竞争力显得尤为重要。考虑到这个因素，膝关节、髋关节和齿科供应商应同时关注成本降低和高品质。膝关节和髋关节植入件在OEM中占有主导地位，山高刀具能提供专业的解决方案，包含刀具设计和高品质服务以确保产品的高品质及成本节约。本文将详细介绍行业内的三种解决方案。

1 全膝关节置换
    在很多时候，我们谈论膝/髋关节置换（TKRs/THRs）。TKR膝关节植入件包含三个主要组件：股骨组件，胫骨托架以及高密度聚乙烯垫。
    让我们仔细看一下这个胫骨垫。工件材料为UHMWPE或称其为超高分子聚乙烯。这种材料很软，因此切削力小。表面粗糙度应不大于0.50 µm，意味着需要高端的精加工专用刀具。山高的Jabro™设计了一款‘Premier Finish’整体硬质合金铣刀，能够胜任此加工，并全球领先。
1.1采用球头铣刀的老式加工方法
    股骨件和胫骨垫的加工难点在于它们独特的形状，尤其是胫骨垫的骨节曲面形状更难加工。
    之前加工胫骨垫的方法是用一把抛光过的HSS成型刀或者传统的硬质合金铣刀。除此以外，刮削的方法也经常被使用。两种方法均有缺陷。
    • 第一个方法通常在表面产生明显的尖点，另外为了获得平滑的切削路径，设备必须足够快速。
    • 这些刀具由于其零前角、小螺旋角，很难获得良好的加工表面。
    • 第二种方法只能做具有圆弧表面的产品，但由于刀体限制、成形零件夹持等设计限制因素，无法实现所有的圆弧加工。
    为了获得满意的表面粗糙度，必须增加可靠性较低的操作环节。人工抛光或喷砂处理会带来不可预计的加工时间、成本和品质效果。
    为了克服这些困难，山高Jabro开发了一款新的刀具Premier Finisher（图2）。刀具的设计基于工件表面的凹凸面以及切线和连接的直线。相比模具而言，此轮廓公差较宽，当然，这种刀具的制造，在切削刃口几何结构上也经常面临问题，如下所述：
    • 凹面和凸面形状的重叠
    • 最大直径
    • 当轮廓以小圆弧结束或开始
    这些潜在问题的发生是因为砂轮压力迅速改变，或者导致太多的磨削热量影响了刃口，使得刃口不能足够锋利，这样在切削时产生剪切力而不是切削力。
    Premier Finisher整硬铣刀在研磨过程中，全切削刃保持恒定的切削前角，刃口圆弧5µm左右。切削速度在200 - 600 m/min之间，具体依据CNC机床而定。通常，如果控制系统良好，能够获得更高进给。每齿进给通常在0,003-0,005*刀具直径：一把d20直径的刀具，为0.06-0.1 mm/z，刀具寿命通常为1000-2000件。通常建议在刀具磨损之前一直放在机床上，移除或储存带来刀具损坏的风险较高。
在下节中，将推荐这个刀具的其它规程并详细讨论。
    装卸：由于刃口特别容易损坏，刀具必须非常仔细地进行装卸。要避免与金属触碰，另外，手指甲的触碰同样会造成轻微的刃口损坏。
图2 山高 Jabro的Premier精加工刀具

    物流：在运输过程中必须有保护措施。刀具被保护并用蜡密封在包装盒内。并张贴标签“小心轻放”“不要重新包装”。
    测量和检测：在医疗行业，可追溯性特别重要，为确保工艺质量，采用封闭的工艺，所有刀具均有单一的激光标志。Helicheck设备可确保其可靠性和质量标准，测量均采取非接触式光测量，而不用与刀具直接接触的测量技术，并采用密封的研磨程序，质检报告附在刀具盒内，以便客户确认品质。
    刀具设置：操作者应按照指示去除保护蜡，找到报告提供的正确直径。刀具可以修磨达五次，明显的磨损出现时，安全的包装是必要的，避免不可控的损坏。
    清洁：当设备同时也用于加工金属植入件时（钛/钴铬合金及不锈钢），注意彻底清理机床。金属切屑与刀具直接接触会损坏刃口。因此机床设备很有必要具备良好的过滤系统，以确保切削液清洁。UHMWPE材料的品质同样也是植入件供应商要考虑的关键因素。
图3 切削刃口177µm磨损

    不合格的原材料将导致磨损（图3）。刀具的提前磨损可能是由于被加工材料聚乙烯不纯。出现这种情况，必须关注采购环节。
1.2 结论
    与球头刀相比，这种Premier Finish刀具价格高出8倍，但单件成本会大大降低（节省高达5倍），可以同时提高品质和降低成本，故投资这种刀具是值得的。

2 全髋关节置换
    在全髋关节置换中，髋关节臼杯（图4）具有不同的尺寸和厚度，是植入件的一个部件。在这个章节中，详细介绍了这些医疗元件的加工。
2.1 加工区域的功能
    其中要铣削的一个特征就是定位面和阻转面。这个特征是用于压入髋臼杯中的聚乙烯垫。另一个要铣削的区域是孔的背面，特制螺钉用于连接臼杯和髋骨。
图4 全髋关节置换臼杯

2.2 材料和加工特征
    髋臼杯的材料是TiAl6V4，这种材料的加工特点广为人知：理想的切削条件下，可使用高达275 m/min的切削速度。可获得的进给速率与刀具直径及切削宽度有关。例如一个d10 mm的刀具，切削宽度为0.3 mm，进给量可达0.1 mm/z。
    工件实际上是一个半球面，阻转面在球形内侧，孔是从内向外钻铣（径向），同样可以加工背面。
2.3 切削参数

    加工受到工件设计形状和装夹方法的限制。工件的装夹部位是一个最后切除的圆柱状工艺头。考虑到工件的几何形状以及薄的边缘，可以使用d4 mm的JH910系列刀具，此刀具具有Tribon涂层，可以用于铣削定位面。最适宜的线速度为120 m/min，进给量为0.05 mm/z。要求之一是不同规格的臼杯必须用一把钻头进行加工。配合工件的圆柱形/球形几何结构，开发了一种特制的复合钻头，用于一次加工两个特征。钻头的线速度大约在40 m/min时，加工寿命较好，加工工艺和孔公差的要求均可达到。背面加工刀具需根据不同的尺寸进行定制，这种新的设计是一种T形槽刀具，切削直径d5.4 mm。必须加工孔边缘的1.8 mm宽的区域，故柄部直径只有d1.6 mm。这当然限制了参数的提高，但综合优化的硬质合金基体，以及几何结构和加工策略，此工艺十分优良。线速度可以在60m/min左右，应用螺旋插补铣。
2.4 以前的加工方法

    定位面加工的老方法基于传统刀具：刃长和几何结构没有根据这种操作要求进行优化，加工参数受限。使用标准钻头分两步钻孔，再有一个球头刀铣圆弧面，还需要一个额外的去毛刺步骤。背部用一种镗刀进行加工，一个操作可完成加工。
    由于此加工操作切削力的作用，在轻微磨损后，刀具即发生弯曲。由于切宽与刀具的柄径/长度比有关，加工时也容易产生刀具振动。
    采用新方法可以节省50%刀具成本，综合起来能节省大约30%。

3 齿科植入体
    与外科植入物相接近，齿科植入体也是SECO在医疗行业的兴趣之一。材料主要为CoCr，Zr，PMMA（透明热塑性塑料），Ti，E.max CAD（创新型焦硅酸锂微晶陶瓷）。加工时间取决于品质要求和应用种类。加工部件一般是齿模、支架、植入体和齿桥。
    在这些不同的材料和组件中，下面讨论一下优化的钛合金齿桥加工工艺。
图5 钛合金齿桥

    这个部件有二级钛加工而成。没有五级钛的强度高。纯度为99,6%，相对较软。抗拉强度正好是临床要求的水准275 MPa。最高的抗拉强度为345 MPa，通常用于抗腐蚀应用中。
3.1 应用实例
    加工工艺包括d8mm及d2mm立铣刀做粗加工和精加工。设备为Willemin-Macodel，功率10 kW，最高转速30000 rpm。主轴规格为HSK E40，热缩刀柄，刀具悬长28 mm。刀具为Jabro的JH920结构两刃铣刀，加工时间11分钟，装刀1分钟。加工成本一小时€ 76。一年加工9000件（40件/天*每周6天）。
    为改善此应用，采用了不同的刀具进行了测试。包括快进给刀具（JHF180 & JHF 980，定制涂层），一把高性能刀具和一个微型刀具。
3.2 切削参数据与结果
    不同刀具采用不同切削参数进行测试后，取得最好结果的是JHF980K080-MEGA，减少加工时间达7分钟，切削参数如图6所示。

图6 JHF980K080-MEGA的切削参数
    接下来采用的4刃刀具JM920，能减少50%的加工时间，显著提高刀具寿命。切削参数如图7所示。

图7 JM920与老刀具的切削参数对照
    有了这些改善之后，还进行了生产率&成本分析（PCA）。结果显示年成本节约为45%，大约相当于750小时的工作量。详细见图8。

图8 JM920刀具的PCA分析
4 总结
    这篇文章中，我们集中关注医疗行业。正如开始所说的，全球的骨科植入件及齿科植入体市场迅速增长。这里介绍的详细应用表明了山高刀具集团在这个行业内的价值。山高刀具在传递高附加值改变客户需求的过程中，为金属切削领域添砖加瓦。