Medizinische Schrauben aus Edelstahl – maßgeblicher Bearbeitungsprozess

Aufgrund der Weiterentwicklung der CNC-Bearbeitungstechnologie in den letzten 10 Jahren, CNC-Bearbeitung werden zunehmend in der Medizintechnik eingesetzt.

Die CNC-Bearbeitung von Tuofa nimmt als Beispiel medizinische Schrauben aus rostfreiem Stahl, führt eine eingehende Analyse der Probleme der unzureichenden Plastizität von Teilen und der hohen Kosten der Kleinserienbearbeitung durch und nutzt die CNC-Bearbeitung, um den Mangel an speziellen Werkzeugmaschinen für die Kaltfließpressung auszugleichen Verarbeitung von Fäden; Das CNC-Makroprogramm wird verwendet, um die Gewindebearbeitungsmethode zu verbessern, die Probleme der schlechten Steifigkeit medizinischer Schrauben und der übermäßigen Schnittkraft beim Drehen von Gewinden zu lösen und einen Referenzplan für die Herstellung kleiner Chargen von Schrauben aus Sondermaterialien bereitzustellen.

Vergleich von medizinischen Schrauben und gewöhnlichen Schrauben

In der Möbelindustrie werden häufig herkömmliche Holzschrauben verwendet. Die meisten Holzschrauben bestehen aus Q235A und werden durch Kaltfließpressen geformt, was die Vorteile niedriger Kosten, hoher Effizienz und großer Leistung bietet. Obwohl die im menschlichen Körper verwendete Schraube in ihrer Struktur gewöhnlichen Holzschrauben ähnelt, muss sie eine gewisse Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Medizinische Schrauben aus 1Cr18Ni9Ti-Edelstahl können aufgrund von Faktoren wie Material, Kleinserienfertigung und der Notwendigkeit, Spezialwerkzeuge herzustellen, grundsätzlich nicht mit speziellen Werkzeugmaschinen kaltextrudiert werden.

Die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung medizinischer Schrauben

Bei der Herstellung von Kleinserien medizinischer Schrauben kann die CNC-Bearbeitung eingesetzt werden, um den Mangel an speziellen Werkzeugmaschinen auszugleichen. Der Durchmesser medizinischer Schrauben ist klein, die Steigung ist im Verhältnis zum Durchmesser relativ groß und die Steifigkeit ist schlecht. In gewöhnlichen Drehmaschinen werden Formwerkzeuge zur Bearbeitung von Gewinden verwendet, und der Schnittwiderstand nimmt mit zunehmender Schnitttiefe des Werkzeugs allmählich zu. Aufgrund des kleinen Durchmessers und der großen Länge der medizinischen Schraube kann es leicht zu einer Verformung der Schraube kommen, selbst wenn im Prozess eine Stützmethode zum Ausgleich des größten Teils des Schnittwiderstands vorhanden ist und sie nicht geschnitten werden kann, sodass dies schwierig ist Verwenden Sie zur Bearbeitung eine gewöhnliche Drehmaschine. Die CNC-Bearbeitung bietet die Vorteile einer hohen Effizienz und einer starken Anpassungsfähigkeit. Beim Einsatz von Makroprogrammen zum Gewindedrehen ist die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück grundsätzlich konstant und der Schnittwiderstand nimmt mit zunehmender Schnitttiefe des Werkzeugs nicht zu. Medizinische Schrauben neigen außerdem zu Verformungen und Biegungen. Tuofa CNC Machining hat eingehende Untersuchungen zur Verarbeitung medizinischer Edelstahlschrauben durchgeführt und das Problem gelöst, dass sich Edelstahl nicht einfach durch angemessene Prozesseinstellungen auf der CNC-Drehmaschine schneiden lässt. Das Problem der unzureichenden Steifigkeit bei der Gewindebearbeitung wird durch die Konstruktion von Stützvorrichtungen und die Erstellung von Makroprogrammen für das Schichtdrehen gelöst.

Das Prinzip der CNC-Bearbeitung medizinischer Schrauben

Entsprechend den geometrischen Eigenschaften der medizinischen Schraube ist die Erstellung eines vernünftigen Plans für die Flugbahn des Bearbeitungswerkzeugs der Schlüssel zur Bearbeitung qualifizierter Teile. CNC-Werkzeugmaschinen nutzen zur Bearbeitung von Gewinden hartmetallbeschichtete Wendeplatten. Nur durch die Berechnung der sinnvollen Spindeldrehzahl zum Drehen medizinischer Schrauben lässt sich die sinnvolle Lebensdauer des Werkzeugs entsprechend der tolerierten Lineargeschwindigkeit v des Einsatzes berechnen. Die Berechnungsformel lautet

v=πDn/1000

In der Formel ist v die lineare Geschwindigkeit (m/min); D ist der Rotationsdurchmesser (mm); n ist die Spindeldrehzahl (U/min).

Nach der Kraftanalyse des Werkzeugs bei der Gewindebearbeitung medizinischer Schrauben macht der Hauptschnittkraftverbrauch mehr als 90 % der Gesamtleistung der Werkzeugmaschine und der Vorschubwiderstandsverbrauch mehr als 5 % aus die gesamte Maschinenleistung. Mit zunehmender Schnitttiefe des Werkzeugs wird die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück größer und der Schnittwiderstand nimmt allmählich zu, was leicht zu Vibrationen, Verformungen und Biegungen der Teile führen kann und nicht durch CNC-Drehen bearbeitet werden kann.

Es zeigt sich, dass die herkömmlichen Umformwerkzeuge die Verarbeitungsanforderungen medizinischer Schrauben nicht erfüllen können. Zu diesem Zweck wird die Bearbeitungsmethode verbessert, indem ein CNC-35°-Profildrehwerkzeug verwendet wird, um die Bahn der Werkzeugnase so zu steuern, dass sie sich entsprechend der Form des Gewindeprofils bewegt, indem ein Makroprogramm programmiert wird. Sie ist grundsätzlich konstant, und die Schnittkraft des Werkzeugs beim Drehen ist grundsätzlich konstant und klein, wodurch der Nachteil des zunehmenden Schnittwiderstands herkömmlicher Gewindeformwerkzeuge überwunden wird.

Realisierung der CNC-Bearbeitung von medizinischen Schrauben

1. Auswahl der Werkzeugmaterialien

Medizinische Schrauben werden hauptsächlich für die Verbindung zwischen künstlichen Gelenken und menschlichen Knochen verwendet. Sie benötigen eine gewisse Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Daher wird 1Cr18Ni9Ti-Edelstahlmaterial mit Säurebeständigkeit, Alkalibeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und bestimmter Festigkeit ausgewählt. Diese Art von Edelstahl zeichnet sich durch hohe Festigkeit, große Plastizität und starke Härtung während der Verarbeitung aus. Während des Schneidens ist der Schneidwiderstand des Werkzeugs groß, was leicht zu einer ernsthaften Verformung der medizinischen Schraube führen kann, und das Werkzeug ist einer hohen Schneidtemperatur ausgesetzt, wodurch sich leicht Schnitttumoren bilden können. Da medizinische Schrauben zur Kaltverfestigung neigen und dadurch schwer zu verarbeiten sind, sollten Sie Klingen wählen, die sich nicht leicht verkleben lassen und über eine gute Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit verfügen. Gleichzeitig sollten sie während der Verarbeitung vollständig gekühlt werden und eine gute Wärmeableitung gewählt werden. Sinnvoller ist eine Schneidflüssigkeit auf Wasserbasis.

2. Struktur und Größe medizinischer Schraubenteile

Die Größe der in Abbildung 1 gezeigten medizinischen Schraube beträgt M6-2.5 mm × 55 mm, der Außendurchmesser beträgt 6 mm, die Steigung beträgt 2.5 mm, die Breite der unteren Nut beträgt 0.4 mm, die Breite der oberen Nut beträgt 0.05 mm. Der Zahnwinkel beträgt 60°, die Länge beträgt 55 mm und der maximale Durchmesser am rechten Ende beträgt 11 mm. Aufgrund der geringen Steifigkeit der Teile und der relativ großen Gewindesteigung im Verhältnis zum Durchmesser gibt es gewisse Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Steifigkeit der Werkstückspannung und der sinnvollen Erstellung von Makroprogrammen für die CNC-Bearbeitung.

Abbildung 1: Medizinische Schrauben

a) 3D-Karte

b) Struktur und Größe

3. Verarbeitungstechnologie

Medizinische Schrauben werden in Kleinserien hergestellt. Wenn zum Drehen von Gewinden die allgemeine One-Clamp-One-Top-Methode verwendet wird, kann das Werkstück aufgrund der geringen Steifigkeit der Schnittkraft nicht standhalten und es kommt zu einer Biegeverformung in der Mitte des Werkstücks. Daher muss das Werkstück beim Gewindedrehen abgestützt werden, um sicherzustellen, dass das Werkstück in der Stützvorrichtung stabil und zuverlässig ist und verhindert, dass das Werkstück verformt wird und nicht bearbeitet werden kann. Es ist notwendig, eine spezielle Drehgewinde-Vollstützvorrichtung zu konstruieren, um die Unterstützung der Schraube zu unterstützen.

Die Gewindesteigung des Teils ist relativ groß. Um den Schnittwiderstand beim Schneiden des Gewindes zu verringern und die Verformung des Teils zu verhindern, wird ein 35°-Profildrehmeißel mit einer Hartmetall-Titankarbid-Beschichtung ausgewählt und das Makroprogramm zum Kompilieren des Makroprogramms mit geschichtetem Schneidgewinde verwendet Trajektoriensynthesemethode, die den Drehfaden erheblich reduzieren kann. Dabei bleibt der Schnittwiderstand grundsätzlich konstant.

Der Verarbeitungsprozess für medizinische Schrauben ist in Abbildung 2 dargestellt. Die spezifischen Schritte sind:

① Die beiden Teile werden für die Bearbeitung miteinander verbunden, wobei in der Mitte zusätzliche 15 mm verbleiben, um das Spannen des selbstzentrierenden Spannfutters zu erleichtern, und die zusätzlichen 7 mm an jedem Ende werden als Bearbeitungskopf zum Bohren des Mittellochs verwendet.

② Eine Klemme und ein Oberteil drehen den äußeren Kreis mit einem Durchmesser von 6 mm und einem Durchmesser von 11 mm.

③ Klemmen Sie den 6-mm-Außenkreis fest, um den Prozesskopf zu entfernen, sodass auch das Mittelloch entfernt wird und die beiden Enden des Teils in eine vollständige Verjüngung umgewandelt werden können.

④ Klemmen Sie den 11-mm-Außenkreis fest, stützen Sie den 6-mm-Außenkreis der medizinischen Schraube mit der Stützvorrichtung ab und drehen Sie das Gewinde mit dem Makroprogramm.

⑤ Schneiden Sie die Schrauben ab, die die beiden Teile miteinander verbinden, um eine Größe von 60 mm sicherzustellen.

⑥ Mit einem vertikalen Drehtisch auf einer horizontalen Fräsmaschine aufspannen und mit einem Sägeblattfräser einen 1.5 mm breiten Schlitz fräsen.

Abbildung 2: Verarbeitungsprozess medizinischer Schrauben

a) Bohren Sie an beiden Enden des Rohlings ein mittleres Loch

b) Drehen des Außenkreises und Verlassen des Prozesskopfes

c) Drehkegel nach dem Abschneiden des Bastelkopfes

d) Unterstützung zum Gewindedrehen mit Vorrichtungen

e) Flache Länge nach dem Schneiden, Nuten auf der Fräsmaschine

4. Funktionsprinzip der Gewindedreh-Stützvorrichtung

Die Gewindedrehhalterung ist in Abbildung 3 dargestellt. Während der Verarbeitung werden die beiden medizinischen Schraubenstücke zusammengeklemmt, um die Realisierung einer Kleinserienfertigung in verschiedenen Prozessen zu erleichtern; Die Stützhülse besteht aus HT200-Grauguss, der sich durch einen niedrigen Reibungskoeffizienten auszeichnet. Der Vorsprung an der Stützhülse dient der axialen Positionierung; Die Funktion der beiden Schrauben an der Schelle besteht darin, die Stützhülse und den Schellenkörper zu verbinden und zu befestigen. Das linke Ende des Klemmenkörpers dient der Positionierung der Stützhülse und das rechte Ende ist ein Standard-Morsekegel Nr. 5. Die Vorrichtung wird in den Reitstock der CNC-Werkzeugmaschine eingebaut und der Reitstock wird bei der Bearbeitung des Gewindes so bewegt, dass die Stützhülse in der Vorrichtung das Außendrehen der Schraube unterstützt. Das CNC-Drehgewinde ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4 CNC-Drehgewinde

a) Teilschnittansicht

1 – Medizinische Schraube 2 – Stützhülse 3 – Schraube 4 – Klemmkörper

b) Vorderansicht

c) 3D-Karte

Abbildung 3 Halterung zum Gewindedrehen

1 – Selbstzentrierendes Spannfutter 2 – Medizinische Schraube 3 – Stützvorrichtung 4 – Reitstockhülse für Werkzeugmaschinen

5 – Werkzeugmaschinen-Reitstock 6 – Reitstock-Verriegelungsgriff 7 – Reitstock-Handrad 8 – 35° CNC-Kopierwerkzeug

Abbildung 5 Makroprogrammbeziehung

5. Makroprogrammierung

Unter den verschiedenen Elementen der Teilebearbeitung ist die Makroprogrammierung der Schlüssel. Im Folgenden finden Sie die Makroprogrammierung für die Thread-Verarbeitung für CNC-Drehen des FANUC0i-Systems. Das Prinzip der Makroprogrammierung: Das Werkzeug bestimmt einen Punkt in der Gewindeprofilform und verschiebt jedes Mal eine Steigung; Das Werkzeug kehrt zum Startpunkt zurück und bewegt einen Punkt entlang der Gewindeprofilform und dann eine Steigung. bis das gesamte Profil gedreht ist. Nach der Form wird das geschichtete Vorschubdrehen durch den Koordinatensystemversatz realisiert und schließlich die komplette Zahnform gedreht. Abbildung 5 zeigt die Makroprogrammbeziehung. Das verschachtelte Programm der zweiten Ebene sieht wie folgt aus.

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-55F2.5;

G00X7;

G00Z2.45;

#1=#1+0.1;

WENN[#1LE1.025]GOTO20

#5=0;

N30#6=1.425-#5;

#7=3.5;

G00X#7Z#6;

G32X#7Z-55F2.5;

G0X7Z1.425;

G0Z1.425;

#5=#5+0.1;

IF[#5LE0.4]GOTO30;

#10=0;

N40#12=#10*TAN[60];

#13=3.5+2*#12;

#14=1.025-#10;

G0X#13Z#14;

G32X#13Z-55F2.5;

G00X7;

G00Z1.025;

#10=#10+0.1;

IF[#10LE1.025]GOTO40;

G52X0Z0;

#8=#8-0.5;

IF[#8GE0]GOTO40;

G00X100Z10;

M30?

6. Vorsichtsmaßnahmen bei der Verarbeitung und Qualitätsprüfung

Bei der Verarbeitung medizinischer Schrauben sollte der Fehler des Außendurchmessers von 6 mm auf etwa 0.04 mm kontrolliert werden. Wenn der Fehler des Außendurchmessers groß ist, führt dies zu einer schlechten Passung zwischen dem halbkreisförmigen Loch mit 6 mm Durchmesser in der Stützvorrichtung und dem Außenkreis der Schraube. , wird die Stützwirkung der Vorrichtung geschwächt und es kommt beim Drehen zu Vibrationen oder Werkstückverformungen. Gleichzeitig muss beim Drehen des Fadens die Klinge scharf gehalten werden und das Werkzeug darf nicht in der Mitte gewechselt werden, da sonst der Faden leicht knickt.

Verwenden Sie ein Mikrometer, um die äußere Kreisgröße der medizinischen Schraube mit einem Durchmesser von 6 mm zu messen, verwenden Sie einen Messschieber, um die Steigung des Gewindes zu messen, und verwenden Sie einen Oberflächenrauheitskomparator, um zu messen, ob der Oberflächenrauheitswert Ra3.2 μm des Gewindes beträgt entspricht dem Standard. Nach dem Test erfüllen die CNC-Teile die Größenanforderungen vollständig und können den Verwendungsanforderungen gerecht werden.

Schlussfolgerungen aus der CNC-Bearbeitung von Tuofa

Tuofa CNC-Bearbeitung hat das Design und die Makroprogrammierung von Stützvorrichtungen für medizinische Schrauben durch die Analyse des CNC-Bearbeitungsprinzips für medizinische Schrauben abgeschlossen, die CNC-Bearbeitung von medizinischen Schrauben realisiert und viele Mängel der gewöhnlichen Kaltfließpressschrauben ausgeglichen. Die Kleinserienverarbeitung medizinischer Schrauben erfolgt zu geringeren Kosten. Diese Methode der Bearbeitung medizinischer Schrauben mit CNC-Werkzeugmaschinen bietet eine Referenz für die Bearbeitung ähnlicher Schrauben mit Sonderwerkstoffen.