醫用砂線切割機及其加工對策研究

蘇波 張龍

摘 要：闡述了現有醫用植入級高交聯聚乙烯塑料（HPE）毛坯備料困難造成成本高的生產技術問題，在此基礎上設計了一款醫用砂線切割機，用于切割任意形狀的塑料毛坯原料，有效減少了加工過程中的損耗，并能為后續的機械加工節約時間，提高生產效益。現首先介紹了醫用砂線切割的工作原理，并建立了三維模型，用ANSYS軟件進行靜力學仿真，通過有限元分析驗證了醫用砂線切割機結構的可靠性。

關鍵詞：植入級高交聯聚乙烯塑料;醫用砂線切割機;ANSYS

中圖分類號：TG48? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.019

0? ? 引言

塑料作為日常生活中常見的一種材料，已廣泛應用于各種生產加工領域。在醫學領域內，塑料制品除了被制成注射器、點滴瓶以外，高端塑料還被用于制作人工臟器。塑料具有優越的化學穩定性、生物體可替代性、生物體相容性，不會引起人體自身免疫反應，如出現過敏、炎癥、致癌等問題[1]，且易于加工，可殺菌消毒。作為人體臟器官的可替代物，醫用植入級高交聯聚乙烯塑料（HPE）的成本較高，在切削加工中如何節約生產成本，成為醫用產品生產企業廣泛關注的一個問題[2]。

常見的骨科類醫用塑料加工手段有注塑法和機械加工法。注塑法適合于批量同規格產品的制作，對于人體結構各異的關節，注塑并不能夠滿足現有需求。利用機床可以定制化加工服務于不同人群的骨骼醫用植入級高交聯聚乙烯塑料（HPE），且加工出的醫用塑料產品性能優越，因此，機加工是現在可替代人體骨骼關節領域的主要加工手段。

機械加工主要是對毛坯原料進行切削加工，毛坯原料多為醫用高分子塑料，價格高，如何減少毛坯原料的損耗，就成為降低加工成本，提高企業效益的關鍵。現在毛坯原料的切割方法多為鋸床切割，但這種加工工藝會浪費很多原料。因此，實現根據產品最終形態進行切割，成為節約生產成本的關鍵因素[3]。

本文設計了一種醫用砂線切割機，可以切割任意形狀的毛坯原料，有效減少了加工過程中的損耗，并能為后續的機械加工節約時間，提高生產效益。

1? ? 醫用砂線切割機工作原理

醫用砂線切割機是利用固結金剛砂線切割醫用高分子材料的設備。固結金剛砂線切割原理是通過磨損固結在金屬母線上的人工金剛石顆粒來去除工件材料[4]。

醫用砂線切割機采用固定循環式切割方式[5]，可以高效地完成醫用植入級高交聯聚乙烯塑料（HPE）的切削，表面加工質量較高，切削效果較好。切割過程中，通過氣彈簧元件控制金剛砂線的松緊程度，保持金剛砂線張緊力恒定，以確保切割表面的加工質量。選擇伺服電機作為動力輸出，保證切削控制的穩定性。醫用砂線切割機原理圖如圖1所示。

圖1中，工件固定在夾具上，放置在金剛砂線的后方。首先將金剛砂線安裝到醫用砂線切割機各輪上，啟動氣彈簧，金剛砂線張緊，伺服電機帶動動力輪運動，金剛砂線循環切割，可以實現平面X、Y兩個方向的伺服運動控制，完成醫用高分子材料的毛坯切割，切割好的毛坯可以拿到后續機床上進行下一步加工，如圖2所示。

采用該砂線切割機進行切割，不僅切口小、刃具不變形，避免了因UHMWPE特殊的熱學性能而造成的切割加工問題，更為重要的是，作為線切割加工，切割線還可以沿曲線或曲面運動，從根本上避免了下料時材料浪費的問題，提高了材料利用率，降低了材料使用成本。

2? ? 醫用砂線切割機建模

根據醫用砂線切割機的工作原理，利用三維軟件UG對醫用砂線切割機設備進行三維實體建模。

根據醫用砂線切割機原理圖設計回環線的三維結構，將導向輪、排線輪、張緊輪、動力輪安裝到F支架上，如圖3所示。

繪制醫用砂線切割機的底座，底座上安裝十字滑臺，十字滑臺上要設置專用夾具，保證長條形毛坯可以夾持在工作臺面上，便于后續批量加工工件，如圖4所示。

最后將醫用砂線切割機F支架安裝到砂線切割機底座上，保證專用夾具位于F支架導向輪和排線輪之間，這樣才能夠有效切割毛坯，如圖5所示。

3? ? 醫用砂線切割機有限元分析

本文利用三維繪圖軟件對醫用砂線切割機進行建模工作。醫用砂線切割機相對容易變形和薄弱的位置是F支架，F支架采用灰鑄鐵鑄造而成，重量很大，因此對醫用砂線切割機F支架進行有限元分析。首先對該模型機構進行倒角、去尖角等適當簡化，并將前置吊架機構導入ANSYS軟件中建立有限元模型，選擇Solid 10 node 187號單元對框架進行網格劃分。F支架網格劃分如圖6所示。

F支架材料選擇的是灰鑄鐵HT200，彈性模量0.8×105 N/m2、泊松比0.25、密度7.2×10-6 kg/m3，在常溫環境下，HT200的許用應力為30 MPa。定義約束與載荷，氣動支撐桿只有0.6 MPa的壓力，主要的承載力來源是自身的重力，考慮到安全極限分析，將重力集中到F支架右端的兩個端面，得出醫用砂線切割機F支架的應變云圖和應力云圖，如圖7所示。

由圖7（a）F支架的合位移等值線圖可知，F支架變形量最大部位是在右端的兩個端面，變形量最大值為0.16 mm，該變形量非常小，不會造成設備變形;由圖7（b）節點應力等值線圖可知，F支架最大應力值σmax=6.6 MPa，該應力值遠小于灰鑄鐵HT200的最大屈服應力30 MPa。因此，醫用砂線切割機F支架的剛度和強度均能滿足設計要求。

4? ? 結語

本文采用ANSYS軟件對醫用砂線切割機F支架進行靜力學分析，得到應變和應力云圖，完成F支架的剛度和強度校核，滿足設計要求。

以降低醫用砂線切割機F支架制造成本為目標，可以采用45號鋼作為醫用砂線切割機F支架的材料，通過有限元分析可知，其結構強度更高，滿足醫用砂線切割機的可靠性要求，同時節約了制造成本和時間，對醫用砂線切割機的優化設計可以起到很好的指導作用。

[參考文獻]

[1] 韓榮第，于啟勛.難加工材料切削加工[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2] 丁黎光.工程塑料難以切削加工對策的研究[J].工程塑料應用，2002（4）：29-31.

[3] 楊俊飛，田欣利，劉超，等.非金屬硬脆材料加工技術的最新進展[J].新技術新工藝，2009（8）：10-16.

[4] 王琮.多線切割機的現狀及發展趨勢[J].電子工業專用設備，2008，37（11）：10-11.

[5] 張義兵，戴瑜興，湯睿.多線切割機走線速度換向過程控制[J].湖南大學學報（自然科學版），2010，37（7）：37-41.

收稿日期：2022-01-05

作者簡介：蘇波（1982—），男，湖南人，工程師，研究方向：骨科植入物生產工藝管理。