钛合金加工的最优方法——完美的人体植入物制造工艺

Utilis精密工具 2023-03-24

不久前，A.K.TEK Medizintechnik公司的刀具也改用了瑞士刀具制造商Utilis公司的产品。刚开始还仅仅是用Utilis公司的刀具进行了粗车和精车测试。但Utilis刀具在第一次尝试时就拿出了非常出色的切削数据；同时也满足了零件公差和表面质量的要求。

德国哈根市的A.K.TEK Medizintechnik公司的特色产品之一就是钛合金的牙科植入系统和脊柱外科用品。就它所用的机床设备而言，它是一家“瑞士公司”。不久前这家公司开始使用瑞士精密刀具专家Utilis公司生产制造的切削刀具——一批完全满足苛刻切削加工条件的完美刀具。更高的切削性能、很好的工艺过程可靠性和极低的火灾风险是这些刀具所具备的性能优势。

Tornos Multideco自动车床的主轴和带有高压内冷系统的UTILIS车刀

（图片来源：Utilis公司）

A.K.TEK Medizintechnik公司的拳头产品和核心竞争力就在于它们的牙科植入物以及植入工具和脊柱修复手术用元器件（椎间融合器、手术器械、骨钉等等）。该公司医疗技术领域中的另一大支柱产品就是微创手术用的元器件。另外还生产一些高精度车、铣加工件（最大直径D=20毫米或者40毫米）。

A.K.TEK Medizintechnik公司还在客户优化自己的产品时给予大力的帮助和支持，对用户自己创新设计的产品制造工艺优化方面提供技术服务，使客户自己设计的产品不仅具有很好的功能性而且还有可靠的制造工艺保障。

挑战：

完美的钛合金切削加工

由于A.K.TEK Medizintechnik公司的经营重点集中在医疗器械产品领域之中，因此在日常生产过程中常常会遇到加工钛合金的技术挑战。

A.K.TEK Medizintechnik公司的生产负责人Uwe Böse先生说：“我们的客户对产品的表面质量和加工精度有着非常高的要求。例如，如果我们要满足公差带5微米的钛合金零件加工要求，就必须确保切削加工过程中的所有参数都是合适的。”

他还指出：“针对加工设备的热传导必须进行有针对性的工艺方案设计，所选用的切削刀具也必须以工艺的可靠性来确保批量生产加工中的公差。这些必须有绝对的保障。在钛合金零件的切削加工中也是如此。另外零件的表面还必须在符合要求的公差范围内制造。”

在机床设备方面，该公司使用的是瑞士生产的卧式自动车床和车削加工中心；它总共有14台Tornos公司和Willemin-Macodel公司生产的加工设备。冷却润滑使用的是油润滑：目前已被证明是钛合金加工领域中的理想加工介质。

Uwe Böse简要介绍了这些设备：“瑞士的设备具有所需的加工精度和使用寿命。”最重要的是：不论是Tornos公司还是Willemin-Macodel公司设计生产的机床设备都是在医疗技术和钟表制造业的圣地瑞士设计制造的。

这两家机床设备生产厂在钟表和医疗器械生产领域中都有着数十年的资历和经验了，也面临着相应的新挑战。也正是出于这一原因，它们的技术都是为钟表和医疗器械生产量身定制的。

像钛合金、铬镍铁合金、铬钴合金、不锈钢等难加工材料的切削加工是这些设备制造商们每天都要面对的挑战，而且是持续了多年的挑战。

新型刀具的评估鉴定

不久前，A.K.TEK Medizintechnik公司的刀具也改用了瑞士刀具制造商Utilis公司的产品。刚开始还仅仅是用Utilis公司的刀具进行了粗车和精车测试。但Utilis刀具在第一次尝试时就拿出了非常出色的切削数据；同时也满足了零件公差和表面质量的要求。最后，作为刀具评估鉴定的最重要标准之一：工艺过程可靠性也得到了验证。这一测试结果比目前使用的刀具要好的多；因此Utilis刀具也在后续的生产加工中被广泛的用于切槽等加工工艺之中。这里的重点是使用了内部冷却的Utilis刀具：专门为钛合金切削加工而设计的、有着特殊几何参数和形状结构的车削刀具。

目标：

更好的表面质量和更高的工艺过程可靠性

利用这些新刀具可以进一步的提高被加工零件的表面质量、延长刀具的使用寿命。另外还可以实现更高的切削速度：这主要是因为进给量得到了提高。在这种情况下就必须强调采用专门为这种工艺过程而设计的高压内冷冷却润滑技术。

Utilis股份公司的应用技术工程师Matthias Filipp先生说：“我们采用直接喷射到切削位置处的高压内冷技术，这是一个非常完美的刀具冷却润滑技术。它有下面几大优点：优化了的冷却液供应对切削过程有着很好的润滑作用，降低了切削过程中的摩擦系数，减小了切削时所需的主轴扭矩，减少了热量散发。”

冷却过程的重要性

切削过程中的成型能所产生的热量会被冷却润滑剂有效的吸收和带走；这就大大的减少了刀具切削刃受到的热量。

Matthias Filipp先生说：“这也是我们的车削刀具使用寿命更长的重要原因。它使得硬质合金刀具中的钴元素不受高于600℃温度的影响。当温度超过600℃时硬质合金刀具中的钴元素会软化，碳化钨也会从硬质合金晶格中脱落出来，从而引起刀具切削刃出现微观崩刃。再加上高韧性钛合金材料车削时的断屑问题。切屑的温度越低、其延展性也就越低。在加工钛合金时使切屑尽可能的短小对提高工艺过程可靠性有着重要的作用和意义。”

另外，我们的高压内冷技术还能明显降低切削加工过程中的温度，这也大大提高了安全防火的可靠性。

生产效率翻了一番

最后再看一下加工效率：与以前使用的切削刀具相比较切削值翻了一番，即在理想情况下单位时间内的切削量增加了一倍。此外，切削刀具的使用寿命也得到了提高，这取决于各种参数，而且断屑情况也有了明显的改善。

为钛合金切削而设计的刀具

在回答SMM主编提出的问题“为什么这些刀具能以这样的方式优化钛合金的制造工艺”时，Matthias Filipp先生说道：“一般来讲，这种车刀的宏观和微观结构都是根据钛合金车削的要求来设计的——包括了刀尖圆角。理想情况下的断屑槽几何形状和尺寸应确保产生的碎屑呈U型横截面，这比扁平状的铁屑更容易断裂。”

A.K.TEK Medizintechnik公司必须放弃钛合金专用车刀刀片的涂层 ——该公司的关键词为医疗器械和认证。但Utilis公司有能力生产带涂层材料钛合金加工刀具——如果认证要求允许时可以向客户提供带涂层的钛合金加工刀具。

正如本文所介绍的那样：瑞士的机床设备生产厂和瑞士的刀具制造商天造地和，再加上A.K.TEK Medizintechnik公司的专业技术和经验就能为要求极为苛刻的医疗技术领域提供了理想的生产条件。

文章来源：Utilis精密工具

图片来源：Utilis精密工具

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责任编辑：朱晓裔

审核人：李峥