本公司于2010年受经济产业部战略基础技术型高度化援助项目支持,开发了随时修正控制型显微细NC车床的微细长尺寸加工技术。随时修正控制型是指原材料与加工点的位置关系通过CCD摄像,将有效时间读入到PC,即时算出错位及弯曲值,变换钻头的位置信息,调整机械运转轴的控制方法,工作人员边看边切削物品影像的自动化技术。
该修正技术的最大优点是通过事先控制弯曲、弹性变形,使车床难加工的微细长尺寸形状部件,实现可稳定供应,且价格低廉、品质好。
当然控制本身还有改善的余地,要实现不弯曲的高精度加工在前期加工阶段的精加工很重要,微细加工和条件也费时间。下面再现开发医用Ti-6AI-4V钛材的医疗器械零件。
2医疗器械零件的加工
首先,制造放入体内医疗部件目标尺寸的微细长尺寸部是∮0.5±5μm,长度为10.0mm,高宽比20倍。部件的后侧约为∮4.0mm,长度0.5mm的复合凸缘形状,一次成形加工的精加工原料为∮4.0mm(从横向看像钉子)。市场现状是一次加工是不可能的,先对∮0.5mm进行磨削,机加成凸缘状,最后进行压铸组装。成品率低,交货期延长,成本很高。
本次开发的精加工是对∮4.0粗削到∮2.0,特别是∮2.0加工时的尺寸与精加工面特别重要。∮2.0加工时不易产生弹性变形,用一般的超硬工具在主轴上旋转1万次,输送速度为f100-200,意外的好。这是因为精加工面在Ra1.6以下,尺寸稳定在±5μm。当然钻头是一次性,有点遗憾,但只能忍痛割爱。
粗削加工结束后,控制方式采用的是有效时间控制,∮0.5×10mm的精加工。本次开发中对200样品在不同的条件下进行试验。结果90%以上出现弯曲、亏损状况,特别是浮雕最难加工。
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起因于切削工艺的变形,可以考虑为:并不是旋转轴的周围有特异方向,所以只沿着一个方向弯曲,与之成直角方向的基本上不变化。因此,材料原来的各向异性是作为制品的弯曲表现的。但是进行了消除变形的热处理,除去前次工艺的残余应力也不能消除弯曲。原因是材料的晶体方向的各向异性,通过退火后获得均匀的组织后再进行时效硬化,接着使用未变形材料进行加工试验,结果确认没有弯曲的加工是可能的。
该结果含有重要知识情报,遗憾的是只能忍痛割爱。衡量包括含材料的重新评估在内的切削条件的合适化的结果是加工余量的肩壁厚为0.75,有点大,但微细加工的替代余量更高,加工时所用的钻头前角与主分力、背分力的平衡下,一边弯曲,一边进行切削加工。特别是主分力与背分力的关系由前角决定,特别要明确平衡状态。
切削速度如图5所示在12.5~33.5/min时是最稳定的,精加工尺寸为±2μm,表面粗糙度在Ra0.6以下。
但是,连续加工时钻头的切削屑粘着,磨损等问题,通过空压的喷雾冷却可大幅度延长工具寿命,并使粘着最小化。即使这样,对精加工尺寸的影响也不小,修正控制是通过加工前的钻头位置与加工物的正确位置的关系可通过CCD摄影影像取得,钻头磨损部分,成功地进行了切削,最大限度地证明了修正控制的有效性。
3优胜数据与今后
采用该修正控制与切削条件,加工成何等程度的细加工进行试验。主题是微细长尺寸,直径10倍是限制。
结果是成功地进行了外径∮0.08mm,长度是0.8mm的加工(图6)。
目前该技术参展了欧美的医疗器械系的展示会,正在进行推广。希望该技术对高度医疗器械的低价格化有帮助。