高速铣削技术及设备的应用

作者:李红强 文章来源:迈柯唯医疗设备(苏州)有限公司研发部经理 发布时间:2015-04-09
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近年来,制造业发展迅速,缩短产品研发及制造周期、提高市场竞争力越来越得到医疗器械生产厂家的重视。高速铣削加工技术在传统的模具加工中已广泛应用,因其效率高,高速铣削技术日益成为医疗设备重要部件制造的热门技术并开始。

高速加工是以高铣削速度、高进给速度和高加工质量为主要特徵的加工技术,具有工件温升低、铣削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高(为普通铣削加工的5~10倍)及可加工硬材料(可达60HRC)等诸多优点。

高速加工技术引入医疗器械行业,提高了产品精度,大大缩短了产品制造时间。对于一般复杂程度的零部件,HSM加工时间可减少30%以上。在生产中采用数控高速铣削技术,可大大缩短制模时间。经高速铣削精加工后的零部件型面,仅需略加抛光便可使用,节省了大量修磨、抛光时间。

高速铣削技术

普通铣削加工采用低的进给速度和大的铣削参数,而高速铣削加工则采用高的进给速度和小的铣削参数,高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特点:

(1)高效高速铣削的主轴转速一般为15000~40000r/min,最高可达100000r/min。在铣削钢时,其铣削速度约为400m/min,比传统的铣削加工高5~10倍;在加工模具型腔时与传统的加工方法(传统铣削、电火花成形加工等)相比其效率提高4~5倍;

(2)高精度高速铣削加工精度一般为10μm,有的精度还要高;

(3)高的表面质量由于高速铣削时工件温升小(约为3℃),故表面没有变质层及微裂纹,热变形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm,减少了后续磨削及抛光工作量;

(4)可加工高硬材料可铣削50~54HRC的钢材,铣削的最高硬度可达60HRC。

在技术飞速发展的今天,时间往往是更重要的经济因素。高速铣削加工在缩短加工工时方面的优势是很明显的。许多不适合(或不能)在普通铣床上加工的零件(如薄壁零件或对加工表面质量要求较高的零件)只能用高速铣床加工。高速切削是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说,高速切削加工是一种很不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。与传统加工相比,由于高速切削显著地提高了切削速度,从而导致工件与前刀面的摩擦增大并导致切屑和刀具接触面温度的提高。在该接触点,摩擦带来的高温能达到工件材料的熔点,使得切屑变软甚至液化,因而大大减小了对切削刀具的阻力,也就是减小了切削力,使得切削变得轻快,切屑的产生更加流畅。同时由于加工产生的热量的70%~80%都集中在切屑上,而切屑的去除速度很快,所以传导到工件上的热量大大减少,提高了加工精度。高速切削加工技术的优点主要在于:提高生产效率;提高加工精度和表面质量;降低切削阻力。

高速切削刀具

刀具是实现高速切削加工高速化的关键。高速刀具的发展朝着高精度、高效率、高可靠性和专用化的方向发展。对于刀具来说,其性能的高低取决于刀具的材料、表面涂层以及本身结构的设计。

涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等具有高硬度、耐磨性、耐热性好,强度和稳定性优良的材料是制作刀具的优选。涂层硬质合金刀的涂覆技术有CVD和PVD法。对金属陶瓷进行涂层,通过使母材中的结合成份与涂层成分有机结合,使其既具有耐磨性又具有韧性。陶瓷刀具硬度高、化学性能稳定、耐氧化,在高温时强度和硬度等机械性能都能够满足高速切削的要求。PCBN刀具是CBN的烧结体,适合在高速、硬态切削、干式切削等先进工艺方法的理想刀具。

高速切削不同材料时的几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响。一般的前角平均比传统的前角小10°,后角大5°~8°。为防止切削过程中的刀尖的热磨损,主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀具材料体积,以提高刀的刚度并减小刃破坏的概率。同时,结构方面如刀具的刃口形状、刃部及主后角、多刃化、排屑性等进行高速刀的优化设计。

医疗产品零部件的加工

高速铣技术除了在航空航天和汽车等领域有广泛的应用外,在某些医疗产品的零部件也是采用了高速铣技术。因为手术器械的工艺要求高,产品的好坏直接影响到手术医生工作质量,影响到手术的可操作性。而高速铣削技术的发展给医疗行业提供了很好的选择。

随着医疗技术的日益提高,人体内的膝、髋关节与脊椎等在遭遇外伤或病变时可用植入件来取代坏死组织,但由于这些物件形状复杂及材质特殊,植入替代件的加工有一定难度。而具有高速铣功能的车铣复合中心可以解决这一难题。机床铣主轴转速为30000r/min,功率5~9kW。由这样一台机床高效加工骨科植入件,可使其成本大大降低。既可以提高产品质量,又降低了产品制造时间和成本。

牙科工业采用软塑料、坚硬金属、高强度氧化锆等多种材料生产牙科修复体。将高速铣削和超声振动加工相结合,在一台机床上就可以加工所有材料,这也是制造高质量牙科修复体的必要条件。另外,也需要在一台机床上加工各种修复体。牙冠、牙桥、基台或种植体等修复体具有复杂、独特的结构都可以采用高速铣床进行加工。SAUER公司研发了一款ULTRASONIC 10为各种牙科修复体和牙科材料提供了最佳的生产解决方案,通过智能化扩展后,还可以实现自动化生产。

高速铣技术具有生产效率高,高铣削速度、高进给速度和高加工质量等特点,在航空航天得到了广泛的应用,在医疗产品也开始得到应用。随着高速铣技术的不断发展,相信更多的医疗产品采用这种新的制造工艺。这种制造技术也一定加快医疗器械产品的研发和制造,从而推动医疗器械整体发展。

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