成熟工艺保障人工膝关节的制造

作者：Rüdiger Böhm　文章来源：本网　 　发布时间：11-25

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图1 只需四步加工工序就可以完成人工膝关节上部零件的生产制造：(从左至右)精密铸造、成型磨削、精磨、高精度抛光，后两道工序属于精整加工工序

对人工膝关节功能和舒适性有着重要决定性意义的是它的造型和表面抛光处理。一套成熟的加工制造方案能够使人们保质保量的、经济的加工出最好的人工膝关节。

在全球范围内，医疗器械是一个蒸蒸日上的行业。其中最引人注目的增长是人工假肢，尤其是人工膝关节。有关分析指出：其增长率每年在10%～12%。究其原因可以归结为三个方面：一是人类寿命的延长;二是运动肢体的疾病和磨损的加重，例如极限运动;三是过胖超重。这样，相关的生产厂家就增大了他们人工关节的生产能力。在这个过程中，人们需要的是既能保证人工关节质量又能降低其生产成本的解决方案。

为了做到“兼顾”两方面，Trossingen市的Haas磨床有限责任公司和Untermerzbach市的Rösler表面处理技术有限责任公司进行了合作。机床生产厂Haas负责对粗加工成型的人工关节进行磨削加工;Rösler公司则负责最终的表面精加工。Rösler公司所采用的表面精加工技术称为“精整加工”，在两年的时间里，他们已经成功利用这项技术为人工关节市场提供了大量的优质成品(图1)。在磨削机床的生产加工中，他们的合作就已经开始了。

这种早期的合作保障了给定的人工植入物的形状和表面质量不仅具有很好的可重复再现的性能，而且也保障了最经济的生产制造人工关节。除此之外还有一个优点：从整体的角度考虑了自动化生产过程中各个工序间的衔接。此外，还可以对生产过程进行整体优化。

利用砂轮和砂带进行成型磨削

在成型磨削过程中，Haas公司使用的是Multigrind CB型磨床，它可以同时加工两个人工关节。在装夹、调整好人工关节，清除了铸造毛刺飞边之后，人工关节的功能表面——骨突和髌骨就会自动的磨削成型了。然后是外形铣削，可以利用磨床内置的砂带机械手在不重新装夹的情况下完成人工关节的磨削。在砂带磨削时，机械手调用的是砂轮磨削使用的几何形状数据。在一次装夹中完成全部的加工制造不仅能够提高加工精度，而且也减少了加工工时(图2)。在完成人工关节几何形状的加工之后，人工植入物主要表面的表面粗糙度都达到了Ra0.40～0.20。

图2 在这个磨削机床上完成人工膝关节的成型磨削，它可以在一次装夹中完成砂轮磨削和砂带磨削两道工序

精整加工可以得到最佳的表面质量

在 Rösler公司的精整加工机床上，人工关节可以获得最后的表面质量。根据人工关节规格大小的不同，最多可以一次对28个人工关节进行精整加工(图3)。在精整加工开始之前，各个人工关节的零件都装夹在专用夹具上，浸入到静止的磨削液池中，由磨削液完成精整抛光。这一精整机床的驱动系统有两个单独工作的电动机。其中，专门研发配制的磨削液是这一精整加工工序的关键：磨料和混合添加剂。磨削液中的这两种成分都按照人工关节生产制造的要求进行了优化，并得到了人工关节生产厂家的认可。这一精整加工工艺是Rösler德国公司自主研发的成果。利用这一精整工艺可以准确的保持人工关节零件几何形状的周期性。在精整加工之后，人工关节的表面就成为高光洁度的抛光表面了。在精整的第一步中，磨料和磨削添加剂在保证几何形状的同时均匀的从人工关节零件上切除极薄的一层金属材料。在第一步精整加工中，人工关节零件的外廓得到了抛光。对今后植入人体后人体组织的生长非常有利。在这一加工过程中，稳定的、均匀的磨削液也有着重要的保障作用。另外，这一湿式的生产加工方法对下一步的清洁非常有利。

在经过90~120min的精整加工后，人工关节的表面粗糙度可以达到Ra0.03，达到了人工植入物极为光洁的表面质量要求。作为抛光介质，使用的是可再生的干式原材料。抛光后的最终表面质量达到了Ra0.02。对于成型磨削后粗糙度为0.8～1.0μm的零件，精整加工可分三道工序进行：在最后的抛光之前增加一道利用陶瓷磨料进行粗抛光的工序。

图3 在图示精整抛光机床上可以一次完成28件人工膝关节零件的精磨和高精度抛光

在精整加工工序中，其工作参数是恒定不变的，这也保障了很高的、可重复再现的加工精度，而且与人工关节零件的几何形状、数量无关。另外，这种加工工艺还是一种环保性的加工工艺。磨削液中的磨料和泡沫等都在离心机中被分离出来了，从而使得磨削液中的水可以继续使用。精整后所产生的抛光碎屑经垃圾场进行无害化处理。这种磨削和精整之间的工艺匹配不仅仅可用于人工植入物的生产制造，而且也可以在高精度和高表面质量要求的机床零部件的生产加工中使用;同时也可以实现缩短工时、降低生产成本的目的。