不锈钢医用螺钉数控加工切削测量办法

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前言

普通木螺钉广泛应用于家具制造。木螺钉大多采用Q235A，冷挤压成型。它具有成本低、效率高、产量大的优点。人体使用的螺钉虽然结构上与普通木螺钉相似，但必须具有一定的强度和耐腐蚀性。1Cr18Ni9Ti不锈钢制造的医用螺钉，受材料影响，小批量生产，需要制作专用工具，基本无法用专用机床冷挤压成型。

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加工医用螺钉的难点

对于小批量医用螺钉的生产，可以用数控机床来弥补专用机床的不足。医用螺钉直径小，相对于直径螺距大，刚性差。在普通车床上，切削阻力随着切削深度的增加而逐渐增大。由于医用螺钉直径小，长度长，即使有支撑的方法来抵消加工过程中的大部分切削阻力，也容易造成螺钉变形，无法切削，用普通车床很难加工。数控机床具有效率高、适应性强的优点。用宏程序车削螺纹时，刀具与工件的接触面积基本恒定，切削阻力不会随着刀具切削深度的增加而增加。但是刚性差的医用螺钉也容易变形弯曲。本文对医用不锈钢螺钉的加工进行了深入的研究，通过在数控车床上合理的工艺设置，解决了不锈钢不易切削的问题。通过设计支撑夹具和编制分层车削宏程序，解决了螺纹加工中刚性不足的问题。

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医用螺钉的数控加工原理

根据医用螺钉的几何特点，合理规划刀具路径是加工合格零件的关键。数控机床使用硬质合金涂层刀片加工螺纹。车削医用螺钉的合理主轴转速应根据刀片的线速度V来计算，以保证刀具的合理使用寿命。计算公式为

v=πDn/1000

其中V是线速度(米/分钟)；d是回转直径(毫米)；n是主轴速度(转/分)。

根据医用螺纹加工中刀具受力分析，主切削力消耗占机床总功率的90%以上，进给阻力消耗占机床总功率的5%以上。如果在数控机床上用成型刀具加工螺纹，随着刀具切削深度的增加，刀具与工件的接触面积变大，切削阻力逐渐增大，容易造成零件振动、变形、弯曲，无法车削[2]。

因此，传统的成型工具无法满足医用螺钉的加工要求。为了改进加工方法，采用数控35仿形车刀，通过编制宏程序控制刀尖轨迹按螺纹牙形运动。刀尖完成螺纹轮廓后，进行分层进给车削，使刀具与工件的接触面积基本恒定，车削时刀具的切削力基本恒定且较小，从而克服了传统螺纹成型刀具切削阻力增大的缺点。

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医用螺钉数控加工的实现

4.1刀具材料的选择

医用螺钉主要用于人工关节与人体骨骼的连接，需要一定的强度和耐腐蚀性。因此，选择耐酸碱腐蚀并具有一定强度的1Cr18Ni9Ti不锈钢。这种不锈钢具有高强度、高塑性、加工硬化剧烈的特点。刀具在切割过程中承受很大的切割阻力，容易造成医用螺钉严重变形。另外，刀具承受较高的切削温度，容易形成切削瘤。医用螺钉容易发生加工硬化，给加工带来困难。因此，选择不易粘结、耐热性、耐磨性和导热性好的刀片，并在加工过程中充分冷却是合理的。选择散热性好的水基切削液更为合理。

4.2医用螺钉零件的结构和尺寸

图1所示医用螺钉为M6-尺寸2.5mm×55mm，直径6mm，螺距2.5mm，齿底宽0.4mm，齿顶宽0.05mm，齿角60°，长55mm，右端最大直径11mm。由于零件刚性差，螺距相对于直径比较大，如何增强工件的装夹刚性，如何合理编制数控加工的宏程序，都存在一定的困难。

4.3加工技术

医用螺钉小批量生产。如果采用一般的一夹一顶的方法车削螺纹，工件由于刚性差，无法承受切削力，会在中途弯曲变形。因此，车削螺纹时，必须全程支撑工件，以保证工件在支撑夹具中的稳定性和可靠性，防止工件因变形而被加工。需要设计一种特殊的支撑夹具来车削螺纹，以辅助支撑螺钉。

零件的间距相对较大。为了降低车削螺纹时的切削阻力，防止零件变形，选用镀硬质合金碳化钛的35仿形车刀，编制宏程序，采用轨迹合成法逐层切削螺纹，可以大大降低车削螺纹时的切削阻力，并保持基本不变。

医用螺钉的加工。具体步骤如下:(1)两部分连接加工，中间多留15mm便于自定心卡盘夹紧，两端多留7mm作为钻中心孔的工艺头。(2)用一夹一顶车削直径为6mm和11mm的外圆。③夹6mm外圆车削去掉工艺头，这样中心孔也去掉了，零件两端可以车削完整的锥度。④夹紧11mm外圆，用支撑夹具支撑医用螺钉6mm外圆，用宏程序车削螺纹。⑤切掉连接在一起的两个螺丝，压平，保证60mm的尺寸。⑥在卧式铣床上用立式转盘夹紧，用锯片铣刀铣出1.5毫米宽的槽。

a)在下料两端钻中心孔

b)转动外圆并离开加工头

c)切断加工头后，车削锥度

d)用夹具支撑车削螺纹。

e)在铣床上切断扁平长度和槽。

4.4螺纹车削支撑夹具的工作原理

螺纹车削支撑夹具，医用螺钉，加工时两片一体，相互夹紧，便于不同工序小批量生产；支撑套由HT200灰铸铁制成，具有摩擦系数低的特点。支撑套上的凸台起轴向定位作用；夹具上的两个螺钉用于连接紧固支撑套和夹具本体；夹具的左端起到定位支撑套的作用，右端是标准的莫氏5号锥度。夹具安装在数控机床的尾座内，加工螺纹时移动尾座，使夹具内的支撑套支撑住螺杆外圆车削螺纹，螺杆车削螺纹全程由支撑夹具支撑，螺纹的切削阻力基本抵消。数控车削螺纹。

4.5宏编程

在零件加工的所有要素中，宏程序是关键。这里针对FANUC0i数控车床，进行螺纹加工的宏编程。宏编程原理:刀具每确定螺纹牙形中的一点，就移动一个螺距；回到起点，刀具沿螺纹齿形移动一点，再移动一个螺距；直到车削出整个齿形，通过坐标系偏置实现分层进给车削，最终车削出完整的齿形[6]。图5显示了宏程序关系，二级嵌套程序如下。

T0101

M03S800

#8=1.75;

N10G52X # 8Z0

G00X6Z2.45

#1=0;

n20 # 2 = # 1 * TAN[60]；

#3=6-2*#1;

#4=2.45-#2;

G0X # 3Z # 4；

G32X # 3Z-55f 2.5；

G00X7

G00Z2.45

#1=#1+0.1;

IF[#1LE1.025]GOTO20

#5=0;

n30 # 6 = 1.425-# 5；

#7=3.5;

G00X # 7Z # 6；

G32X # 7Z-55f 2.5；

G0X7Z1.425

G0Z1.425

#5=#5+0.1;

IF[# 5le 0.4]goto 30；

#10=0;

n40 # 12 = # 10 * TAN[60]；

#13=3.5+2*#12;

#14=1.025-#10;

G0X # 13Z # 14

G32X # 13Z-55f 2.5；

G00X7

G00Z1.025

#10=#10+0.1;

IF[# 10le 1.025]goto 40；

G52X0Z0

#8=#8-0.5;

IF[# 8ge 0]goto 40；

G00X100Z10

M30

4.6加工注意事项和质量检验

在医用螺钉的加工中，外圆直径6mm的误差应控制在0.04mm左右，如果外圆直径误差较大，会造成支撑夹具中直径6mm的半圆孔与螺钉外圆重合不良，夹具的支撑效果减弱，车削时会产生振动或工件变形。同时，车削螺纹时，刀片一定要保持锋利，不能中途换刀，否则容易出现拧螺纹的现象。

用千分尺测量医用螺钉6mm外圆直径，用卡尺测量螺距，用表面粗糙度比较仪测量表面粗糙度值Ra3.2μm是否达标。经检测，零件完全满足尺寸要求，能满足使用要求。

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结束语

通过对医用螺钉数控加工原理的分析，完成了医用螺钉支撑夹具的设计和宏程序的编制，实现了医用螺钉的数控加工，弥补了普通螺钉冷挤压的诸多缺点。低成本完成医用螺钉的小批量加工。这种利用数控机床加工医用螺钉的方法，为类似特殊材料螺钉的加工提供了参考。