浅谈高精度截骨槽加工新方法

胡刚岭，槐磊，管采薇

（苏州微创骨科医疗工具有限公司，江苏 苏州 215000）

随着我国经济的快速发展，居民的生活水平也在逐步提高，居民需求也由原来的解决温饱，转变成生活得更好，对个人健康也有了更高的要求。另外，受长期计划生育政策的影响，我国的老龄化趋势也在加剧。这些因素推进了医疗健康产业的快速发展。在医疗健康产业中，骨科业务是非常重要的一个赛道，也是国内外医疗器械企业都在布局的一个赛道。在骨科手术中，以膝关节置换难度最高，同时也是利润率最高。简单的拆解，其实膝关节置换，就是在股骨和胫骨上进行截取假体的安装平台，然后再把假体植入。手术效果的好坏，除了受限于假体，高精度的手术工具，也是影响手术效果的一个重要因素。大的跨国公司，几乎垄断了我国高端的关节置换市场，如强生、史赛克、美敦力等。他们进入行业的时间较长，具有技术积累的优势，尤其是在原材料、新型成型工艺、后处理等方面，具有较大优势，国内企业还需要继续追赶，尤其是高精度截骨工具。需要对截骨槽加工的方法进行优化。

1 截骨板

股骨远端截骨是需要截出股骨髁假体的安装平面，对该截骨，器械一般都是集成化的，可以一次完成6个面的截骨，这样才可以保障多个面复合位置的精度，为股骨髁假体的正确安装提供支撑。这个过程中用到的核心工具就是截骨板。

截骨板（图1）常用于膝关节置换手术中股骨远端截骨，在截骨过程中，需要确定截骨位置，锯片连接动力后通过截骨板的截骨槽来实现预期效果。截骨板上一共有6个截骨槽来确定位置。其中槽1、槽2作为基准A，尺寸精度需控制在±0.015mm。其它槽的尺寸精度也在±0.015mm，且每个槽的位置度相对于基准A需不大于0.05mm。在这6个槽的加工过程中，截骨板是一次装夹的，因此，对截骨槽的加工精度要求尤其高。

图1 截骨板

2 截骨板的成型加工

截骨板一般是由一整块的沉淀硬化不锈钢材料经过铣削加工、线切割等工艺完成产品形状的加工，然后再经过热处理、喷砂、钝化、电镀等工序，最终成型。一般在加工中心上进行截骨槽加工，铣刀加工出来的截骨槽表面接刀痕迹严重，表面质量差，在手术过程中会与其他工具配合使用，时间越久越容易产生磨屑；且铣刀加工出来的截骨槽尺寸偏差较大，对手术结果影响较大。也有使用线切割对截骨槽进行加工，如快走丝、中走丝、慢走丝等。

2.1 铣加工

铣削一般是在加工中心上完成，主要是根据程序设定，用高速旋转的铣刀，对原材料逐层切削，切出需要的形状和特征。相对线切割，铣削加工在加工细长槽、拐角角度接近90°的特征时，就不具有优势。加工细长槽，需要选用更小的刀具，并且需要用刀具的底刃进行加工，这样会有以下问题：（1）小的刀具直径较小，刚性不足，在加工过程中，刀具容易折断。（2）底刃加工，切削集中在底刃，底刃磨损快，刀具寿命大大降低。以上两个因素会造成加工成本的急剧上升。

2.2 快走丝加工

快走丝加工，顾名思义，是在进行切割加工时，由于电极丝高速运转的走私而进行的一种加工。快走丝加工机床起源于我国，属于电加工机床一种，可进行中、低产品以及复杂零件的加工制造，随着科技的逐步完善和发展，目前该类机床已成为重要的加工手段。

快走丝加工机床之所以在国内拥有较大的市场原因在于其性价比高的优势。实用性强、经济性高为其最主要的特点。举例说明，传统的快走丝加工在进行一次切割后，其加工效率可达40mm2/min，虽然表面会有明显的线纹，表面粗糙度大约为Ra3.0μm，但其加工精度接近0.02mm。

2.3 中走丝加工

中走丝加工机床可理解为快走丝加工的升级版，相比快走丝加工机床而言，其在工艺技术方面如数控精度、走丝系统、脉冲电源等方面均有了较大的提升。中走丝可以进行修刀，也就一次线切割后，降低放电能量，并减小放电间隙,这样就可以实现在一次切割后的表面上，可以进行多次修饰，提高产品加工质量。

2.4 慢走丝加工

随着科学技术的不断进步，对产品的质量要求特别是精度方面更是不断提高，现有的快走丝加工已不能满足精密产品的加工要求，在这种现状下，慢走丝加工应运而生。相比前面两种线切割技术，慢走丝有如下优势。

（1）通过多次切割技术来提高产品加工精度的。通常一次性切割的目的是成形；二次切割也称为修刀，可根据产品质量要求选择次数，常用的加工方式有割一修一、割一修二等。且慢走丝加工所用的丝为一次性使用，为产品的表面质量提供了保障。

（2）表面质量日臻完善。获得高质量的产品表面，除了上面提到的修刀的方式外，还可以通过电源技术的改进来实现。无防电解脉冲电源的放电加工领域的发展与应用，可有效地降低产品表面的电破坏。高峰值、窄脉宽（微秒级）的脉冲电源可有效地除去产品加工界面气相，给加工表面迅速降温，也可以有效地减少产品表面的氧化，降低因高温造成的产品表面开裂，提高产品表面质量。在硬质合金冲口刃口的加工方面，慢走丝加工的质量越来越接近磨削加工的质量，这也是为什么越来越多的零件加工“以割代磨”。

（3）加工效率提升。慢走丝加工因为有“慢”字，很多人以为此项加工技术的效率应该会很低，这其实是一种误解。当前，先进机床的最高加工效率可达500㎜²/min。这主要是由于先进电源技术及检测技术、程序控制技术以及抗干扰技术的发展,相较水刀切割，慢走丝在厚工件的加工上，不光效率不输于水刀，也不会出现水刀加工厚件产生的喇叭口。另外，慢走丝可以自动穿丝，自动穿丝时间＜15s消除了人为参与产生的费用及偏差，既可以降低成本，也能提高加工质量的稳定性，为自动化、智能化也提高了助力。

（4）自动化、智能化及信息化的发展。目前通信领域已经实现了5G的商用，不管是国家层面，还是行业层面，几乎每个行业都在谈论自动化、智能化及信息化。慢走丝加工技术发展到今天，不管是软件方面，还是硬件方面，已完全具备自动化、智能化及信息化的要求。可以无缝进入黑灯工厂的加工体系中。先进的慢走丝设备，不仅可以提高产品的加工，设备内部也集成了先进的加工参数和加工模式，甚至加工所用的辅料的牌号、材料等信息也都可以方便地获取到。像PCD、PCBN等特殊材料的加工，设备的加工参数库里也有详细的加工参数。先进的控制系统已经可以像铣削、车削那样实现精准的数控，在切入、切出、边缘切割等方面系统已经可以实现自适应，提高了加工的稳定性，为产品的高质量提供了保障。借助信息技术的发展，先进的慢走丝设备已经可以实现远程操控、云端传输加工程序等智能化操作。

综上所述，慢走丝加工机床在加工效率、提高精度和表面质量等方面均明显优于快走丝加工机床，相信在不久的将来，慢走丝加工也会像如今的快走丝加工一样，应用于越来越广泛的领域。

3 截骨板的表面处理

不论是快走丝、中走丝，还是慢走丝，对截骨槽的加工都属于放电加工，加工完成后，切割槽表面必然会有一次氧化层存在，只是厚薄不同而已。表面处理，也称为后处理，就是要除去这一层氧化层，并改善表面粗糙度。

为了除去这层氧化层，截骨板的表面处理工艺一般会有喷砂工序，但是，由于截骨槽的槽宽度很小，喷砂的时候不容易被喷到，喷砂本身自带的表面消光效应，又对氧化层是否去除的完全的检测，造成干扰。即使进行了耐腐蚀的测试，槽内的微小腐蚀，也不容易被观察到。

针对这种情况，有些医疗器械的制造商，尝试在喷砂前，引入电化学抛光工艺，但是，电化学抛光工艺溶液分配和电流分配的影响。受集肤效应的影响，截骨槽分配到的电流很小，无法启动电化学抛光去除的作用；电化学抛光液黏度较大，不容易细长的截骨槽内部。针对此情况，可以在喷砂前进行酸洗或者等离子抛光。酸洗属于化学过程，不受集肤效应的影响，可以充分与截骨槽表面的氧化层反应，腐蚀掉氧化层。等离子抛光使用溶液黏度较低，可以充分进入细长的截骨槽内部，可以改善电化学抛光造成的电流和溶液分配不均匀。

4 截骨板加工中的其他影响因素

截骨板一般由6个截骨槽，各槽之间存在两两之间的复合尺寸约束，尺寸精度要求高。加工应力对产品尺寸的影响非常大，这也是为什么截骨板是骨科工具中最难加工的产品的主要原因。

鉴于此，可设置两道慢走丝加工，并在两道慢走丝加工之间，增加一道时效处理工艺，加速加工应力的释放。第一道慢丝旨在加工切割槽前先割一条缝，促进应力释放。时效处理参数：在达到目标温度前，先加热到450℃保温1小时，这样可以减少内外温差，使内外同时析出强化相，避免产生更大的组织应力。再升温至480℃，保温210min后空冷至室温。图2为热处理工艺曲线图。

图2 时效处理曲线

第二道慢丝4轴采用粗－精加工结合，两道走丝成型，槽粗加工时，需在线切割程序中设置线径（0.2mm）补偿值为0.152mm；槽精加工时，需在线切割程序中设置线径（0.2mm）补偿值为0.108mm，这样的加工的优势：慢丝加工属于电火花加工，在加工过程中会产生氧化层，分两次加工可以使氧化层相对一次成型加工的薄，加工出来的尺寸更稳定，单边尺寸偏差可保持在0.005～0.008mm，表1为慢丝加工参数。

表1 慢丝加工参数

5 截骨板的加工新方法

根据以上分析，制定如下工艺路线：工艺路线：备料－加工中心（对非截骨槽尺寸进行成型）－慢丝 4轴（割缝，作为应力释放部位）－时效处理（加速应力释放）－慢丝4轴（精加工成型）酸洗－喷砂－钝化－检验－入库。

6 结语

（1）使用新方法进行加工验证，槽宽尺寸结果显示新工艺过程稳定，Cpk达到2.59。

（2）产品表面粗糙度可以达到ra0.5。

（3）产品尺寸精度可达到±0.015mm，位置度精度不大于0.05mm。