机械类毕业设计.docx

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机械类毕业设计

学号

苏州XXX大学

毕业设计

题目人工肩关节产品的制造

学生姓名：

专业班级：

学院（部）：

校内指导教师：

校外指导教师：

完成日期：

摘要：

众所周知，健康一直是人类永远的追求，也是人类最宝贵的财富。

随着医学技术的发展，各种各样的人造器官开始出现，人工关节是人们为挽救已失去功能的关节而设计的一种人工器官，它在人工器官中属于疗效最好的一种。

一般来说，其使用年限可达20年以上。

它可以即刻消除关节疼痛、恢复关节的正常活动功能，使长期受关节病痛折磨的人们再次获得新生，手术后可以象正常人那样，行走、爬楼、外出旅行、外出工作、购物和体育锻炼等。

目前我国的制造水平和国外还有着很大的差距，人工关节行业几乎被国外的XX公司，史塞克等公司所垄断。

因此，我国急需快速追赶和超越。

此次我的课题是关于人工肩关节的制造，主要是根据产品的模型进行加工工艺的制定、编写数控程序，利用数控车床进行加工来确保产品规格的精确性，最后通过喷砂、抛光等一系列后道工序来完成人工肩关节的制造。

关键词：

人工肩关节加工工艺数控编程数控车床社会意义

Abstract

Asweallknow,healthhasbeentheeternalpursuitofmankind.Byavarietyofdifferentorgansofthebodycompositionofanyoneorganlesionsordamagewillbringpain.Withthedevelopmentofmedicaltechnology,avarietyofartificialorgansbegantoappear,Artificialjointsisanartificialorgantosavethepeoplehavelostthefunctionofthejointsanddesign,itbelongstothebestkindofefficacyinartificialorgans.Ingeneral,theirusefullifeupto20years.Itcaninstantlyeliminatejointpainandrestorejointfunctionofnormalactivities.Peopleaffectedbylong-termjointpainandsufferingwillbereborn.Theycanbeasnormalaswalking,climbingstairs,travel,gotowork,shopping,andphysicalexerciseafterthesurgery.Atpresent,China'smanufacturingstandards abroadhave theverybigdisparity,artificialjoint industry almost monopolized byforeign Johnson, Stryker corporation.Atpresent,China'smanufacturingstandardsthereisalargegapandforeigncountry's,artificialjointindustryalmostmonopolizedbyforeignJohnson&Johnson,Strykerandothercompanies.Therefore,China'surgentneedtoquicklycatchupandsurpass.Mytaskisaboutmanufactureofartificialshoulderjoint.Accordingtothemodeloftheproductdevelopmentprocess,thepreparationofNCprogram,theuseofCNClatheprocessingtoensuretheaccuracyofproductspecifications.Finally,tofinishproducedbysandblastingandpolishingafteraseriesofprocesses.

Keywords

ArtificialshoulderjointProcessingNCprogrammingCNClathes

Socialsignificance

1绪论………………………………………………………………………1

1.1人工关节制造的现状及意义…………………………………………1

1.2肩关节的简介…………………………………………………………1

1.3人工肩关节的种类……………………………………………………2

1.4肩关节产品的规格…………………………………………………3

1.5肩关节材料的选择……………………………………………………4

2肩关节零件加工的工艺设计……………………………………………6

2.1零件图加工要求分析…………………………………………………6

2.2加工方法的分析………………………………………………………6

2.3工艺过程分析…………………………………………………………8

3加工椎柄部分工序设计及程序编制……………………………………9

3.1机床的选择………………………………………………………………9

3.2装夹定位方案……………………………………………………………9

3.2.1加工端面、底面时的方案……………………………………………9

3.2.2加工椎柄时的方案……………………………………………………10

3.3刀具及切削用量选择……………………………………………………11

3.3.1刀具的选择…………………………………………………………12

3.3.2切削用量的选择………………………………………………………13

3.4加工顺序及走刀路线的确定……………………………………………13

3.4加工工序卡的制作………………………………………………………15

3.5数控程序的编写…………………………………………………………15

4加工圆弧部分工序设计及程序编制………………………………………17

4.1机床的选择…………………………………………………………………17

4.2装夹定位方案………………………………………………………………17

4.3刀具及切削用量选择……………………………………………………19

4.3.1刀具的选择…………………………………………………………19

4.3.2切削用量的选择……………………………………………………19

4.4加工顺序及走刀路线的确定……………………………………………20

3.4加工工序卡的制作……………………………………………………20

3.5数控程序的编写………………………………………………………21

5肩关节产品制造流程……………………………………………………22

结论………………………………………………………………………28

致谢………………………………………………………………………29

参考文献：

……………………………………………………………30

附录A………………………………………………………………………31

附录B………………………………………………………………………32

附录C………………………………………………………………………33

附录D………………………………………………………………………35

1绪论

1．1人工关节制造的现状及意义

随着世界人口老龄化程度的加剧和运动损伤的多发，老年退行性骨关节病和关节损坏变成为一种常见病和多发病。

由于各种原因导致关节发生了结构上的改变后，单纯使用药物治疗只能部分缓解疼痛症状，难以改善关节功能。

而人工关节置换可以达到缓解疼痛、稳定关节、矫正畸形、改善关节功能等目的。

目前全世界每年有大约80万人做人工关节手术，而且有逐年增多的趋势。

人工关节成为矫形器械市场上的主要畅销产品之一，至今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体。

目前，人工关节置换术在欧美等发达国家的技术已经相当成熟，产品在当地也相当普及。

我国近年来随着经济的发展，越来越多的人开始关注自己的关节健康，越来越多的人开始有能力承担人工关节置换手术的高昂费用，因此每年的人工关节需求量逐年增加。

意义：

目前我们逐步进入老龄化社会，人口众多，在未来的数年内，对于人工关节的需求量越来越大，医疗市场的潜力很大！

目前，世界上人工关节生产技术几乎被国外领先的五大医疗器械公司Zimmer、XX公司、史塞克、Biomet和Smith&Nephew垄断，因此，我国应当高度重视医疗器材技术的发展，否则将会失去这片广阔的市场，而且还要承担高昂的专利费，在国际上没有竞争力，对于发展中的中国来说是不利的，在未来，像印度和亚洲的其它发展中国家对于人工关节的需求量也会越来越大，这对中国的医疗公司来说也是一个巨大的商机。

因此发展人工关节等医疗器材技术是非常有意义的。

1.2肩关节的简介

肩关节由肩胛骨的关节盂和肱骨头构成，属球窝关节。

关节盂周缘有纤维软骨环构成的盂缘附着，加深了关节窝。

肱骨头的关节面较大，关节盂的面积仅为关节头的1/3或1/4，因此，肱骨头的运动幅度较大。

关节囊薄而松弛，下壁尤甚，附着于关节盂的周缘，上方将盂上结节包于囊内，下方附着于肱骨的解剖颈。

关节囊的滑膜层包被肱二头肌长头腱，并随同该肌腱一起突出于纤维层外，位于结节间沟内，形成肱二头肌长头腱腱鞘。

肩关节周围的韧带少且弱，在肩关节的上方，有喙肱韧带连结于喙突与肱骨头大结节之间。

盂肱韧带自关节盂周缘连结于肱骨小结节及解剖颈的下分。

肩关节为全身最灵活的球窝关节，可作屈，伸、收、展、旋转及环转运动。

加以关节头与关节窝的面积差度大，关节囊薄而松弛等结构特征，反映了它具有灵活性运动的机能。

肩关节周围有大量肌肉通过。

这些肌肉对维护肩关节的稳固性有重要意义，但关节的前下方肌肉较少，关节囊又最松弛，所以是关节稳固性最差的薄弱点。

当上肢处于外展、外旋位向后跌倒时，手掌或肘部着地，易发生肩关节的前脱位。

图1-1

图1-2

1.3人工肩关节的种类

目前人工肩关节的种类大多为XX公司公司生产的GlobalEccHead，GlobalHUMHead，，GlobalCTAHead等三种类型的产品。

如下列组图1-3所示：

CTAHUMECC

图1-3人工肩关节产品图

由产品外形可以看出，人工肩关节主要由半球弧面和椎柄组成，就这三种类型人工肩关节比较而言，HUM和CTA产品的椎柄都位于中心，CTA产品多了一个“高嘴唇”，而ECC产品的椎柄不在最中心，属于“偏心”，就制造难度而言，CTA>ECC>HUM。

本次课题主要介绍GlobalAdvantageEccHead产品的制造

1.4肩关节产品的规格

世上没有相同的两片树叶，不同的人的体格也不一样。

有高有矮有胖有瘦，所以不同的人的肩关节大小也是不一样的。

因此人工肩关节产品ECC也有不同的规格型号，只有使用了正确尺寸的产品才能保证手术的成功和健康的安全，产品与人的机体才能最高度融合。

ECC产品的椎柄规格都是一样的，规格的主要区别在于圆弧高度和圆弧长度，因此，按照它的圆弧高度和圆弧长度不同可以分为以下15种。

如下表1-1所示，本课题介绍的产品规格为44x18mm。

（详细的产品规格参数见附录A）

圆弧长度（单位：

mm）

圆弧高度（单位mm）

56x21

52x21

48x21

44x21

40x21

56x18

52x18

48x18

44x18

40x18

56x15

52x15

48x15

44x15

40x15

表1-1ECCHead规格

图1-4产品图图1-5毛坯图

1.5肩关节材料的选择

由于人工关节是受力复杂的关节，在负重情况下，假体同时承受拉、压、扭转和界面剪切及反复疲劳、磨损的综合作用。

因此要求人工关节材料必须具有良好的生物相容性，良好的机械性能，并有很好的耐腐蚀及抗疲劳性等，负重面应耐磨损，同时磨损颗粒不引起严重机体反应。

鉴于这种情况，对于人工关节制作所使用的材料有严格的要求。

目前尚无任何单一材料能满足上述要求，临床上常用的材料为金属、高分子聚乙烯和陶瓷。

常用的金属材料有316L不锈钢、钛合金（Ti-6A1-4V）、钴铬合金（Co-Cr）及钴镍合金（MP35N）等。

这些金属材料各有优缺点，根据其不同的物理性质设计制作为关节的各种部件。

在高分子材料中，以超高分子聚乙烯最为适用。

它有良好的生物相容性，在体内耐降解性能好，有一定的黏弹性，与金属的摩擦系数很低，主要用于关节面之间的配伍。

（1）不锈钢是最早的人体金属植入材料，它具有优良的加工性能和适当的抗压强度，但不锈钢植入人体后,在生理环境中,有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题,会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+和Cr5+,从而引起假体松动或恶性肿瘤，最终导致植入体失效。

所以欧美等国现已限制不锈钢的临床使用。

（2）钛合金（Ti-6Al-4V）的生物相容性更好，且其表面易氧化生成致密的二氧化钛氧化膜，耐腐蚀性非常好，而且比重小，更易与人自体的骨长在一起。

另外，钛合金重量轻（密度是Co-Cr合金的1/2），材料强度也特别大，适用于负荷强度很大的股关节，而且由于其弹性模量与人骨的弹性模量较接近，生物界面结合牢固，是较理想的植入材料。

但其耐磨性相对较差，且Al对人的神经系统有伤害，极少数病人对钛合金有过敏现象。

（3）高分子聚乙烯的主要特点是低摩擦系数，但是晚期容易磨损，这是由于其质软造成的。

强度不及金属类，因此不适合人工肩关节生产。

（4）陶瓷具有高硬度，高弹性模量和高抗压强度以及优良的耐磨损性，而且具有良好的生物相容性和化学稳定性，但较钴铬合金材料而言质脆且易折（应力集中），也不太适合作为人工肩关节的材料。

但随着陶瓷材料的高速发展，陶瓷材料已经成为未来人工关节材料的主要方向和趋势。

本产品采用的是钴珞合金，目前钴合金是人工关节中最常用的金属。

它具有优良的加工性能和抗压强度。

钴铬合金（Co-Cr）与不锈钢相比，具有优良的生物相容性，耐磨性、耐腐蚀性和综合机械性能都比较好，根据不同的临床要求，钴铬合金的成分不尽相同，一般可分为软质、中硬质及硬质三种。

性能：

①机械性能良好。

②比重小，质轻。

③熔点高，约为1250～1450℃。

④化学性能稳定，抗腐蚀性强。

但如浸在含氯的义齿清洗剂中，易被氯离子侵蚀。

⑤对机体无刺激性，可用作种植材料。

⑥铸造收缩大。

用途：

软质的钴铬合金适用制作各类固定修复体；中硬质者适用于制作卡环、基托及牙合增高的牙合垫等；硬质者适用于可摘局部义齿大支架的整体铸造，也可用作种植材料。

2肩关节零件加工的工艺设计

2.1零件图加工要求分析

由附录A的图纸可以看出，该产品的结构主要由一个圆弧面和一个偏心的椎柄组成，椎柄时带有锥度的。

其机加工的主要部位是椎柄、外圆、底面和圆弧面，其加工精度也有一定的要求：

1椎柄顶面的半径的上下极限偏差为±0.25

2外圆台面的倒角最大值为R0.76

3椎柄顶部的倒角半径上下极限偏差分别为+0.25、-0.26，底部为±0.025

4椎柄和底面的粗糙度要求为0.8～1.6，需要精加工

5圆弧面的线轮廓度为0.38

6椎柄的锥度为2.812°～2.854°

7圆弧面外圆部分的厚度均匀，上下极限偏差分别为+0.12、-0.25

8底面与圆弧面的倒角最大半径值为0.76

9椎柄高度的上下极限偏差为±0.12

由于其表面粗糙度和尺寸精度都较高，因此每个部位都需要做精加工，由于毛坯是铸件，加工之前都已经经过热处理了，因此硬度较大，要选择恰当的切削用量。

2.2加工方法的分析

该产品的加工主要分为粗精加工，加工采用2台数控车床，第一台分别对椎柄、底面、端面车削加工，第二台对圆弧面进行车削加工。

工件一共要经过三次装夹，其中圆弧面先进行粗车，然后再精车，而椎柄部分是经过三次粗精车，通过改变切削用量来控制精度。

（1）椎柄、底面和端面的加工：

由于椎柄属于“偏心”，与底面和端面圆心不重合，因此椎柄和底面、端面要分开加工，由于装夹方式不一致，因此需要二次装夹。

首先将底面和端面的圆心与主轴圆心重合进行加工，如图2-1。

加工到椎柄根部之前留有一定的距离，如图2-2所示，阴影部分没有加工（因为椎柄不在中心）。

然后通过改变夹具的装夹方式，使椎柄与主轴圆心重合，进行椎柄的加工并对底面进行加工，部分底面经历了重复加工，例如，图2-3的网格状区域。

由于两次加工的区域不同且有重叠区域，在在二次装夹时不可避免会出现误差，因此会出现接刀痕，如何减少或者淡化接刀痕以及特制夹具的原理分析，将在后面的工艺分析里提到。

图2-1加工前图2-2底面和端面加工后

图2-3椎柄加工后

（2）圆弧面的加工：

“伞状”的圆弧面相对来说比较容易，只要通过偏心夹具的装夹使圆弧面的中心（即顶部）与主轴旋转中心重合，即可进行高速切削，圆弧面中心与主轴旋转中心的“重合度”直接影响到端面的厚度，“重合度”越高，端面的厚度越均匀，因此在装夹后加工之前要用跳动表进行测量，在一定的公差范围内才能开始加工。

图2-4

2.3工艺过程分析

该产品从毛坯到成品经历了很多道工序的加工，其顺序为椎柄、端面及底面的车削→圆弧面部分的车削→干喷砂→激光打标→手动抛光→超声波清洗→检测等六道工序，每道工序都是严格按照工艺要求进行制造。

（1）椎柄、端面及底面的车削：

从毛坯到产品外形CNC加工完成，一共需要加工两部分，一部分是椎柄面，包括椎柄、底面和端面，另一部分是圆弧面。

由于椎柄中心与底面中心不重合，因此椎柄和底面需要分开加工。

在加工椎柄的时候要确保椎柄的中心与主轴旋转中心重合，因此就需要使用特殊夹具。

（2）圆弧面部分的车削：

在加工圆弧面的时候需要加紧椎柄，如果直接三爪卡盘装夹的话则圆弧面中心与主轴旋转中心不重合，无法加工。

因此在装夹椎柄的时候也需要用到专用夹具。

我们使用的夹具在装夹圆柱头的时候可以通过旋转180°来分别加工椎柄和底面，其旋转的目的是改变工件旋转中心，即分别以椎柄个底面圆心为旋转中心进行加工。

在装夹椎柄的时候只要椎柄下沉的距离等于偏心的距离，则可以是旋转中心与圆弧面重合进行加工。

（2）激光打标的时候需要只用特制夹具使其固定在工作台上，让激光准确的照射在固定位置。

（3）手动抛光：

由于抛光需要经产品与高速旋转的布轮、砂带轮接触打磨，用双手直接拿着工件是不可行的，而且在打磨的时候圆弧面也要匀速的旋转，这样达到抛光要求。

因此我们需要一个专用夹具进行对工件的装夹，其既能被手握着又能告诉旋转。

在打磨时，可以现在砂带轮上进行粗打磨，使其接近图纸尺寸要求，然后再通过布轮进行精打磨，最终达到抛光效果。

（4）超声波清洗：

超声波清洗主要使用超声波清洗机对抛光后的产品进行清洗。

对于工艺过程的具体内容详见工艺过程卡（附录B）。

3加工椎柄部分工序设计及程序编制

3.1机床的选择

由于此产品的加工精度要求比较高，因此我们选用日本法兰克系统的森精机NL2000系列（如图3-1）。

该产品由两台车床共同完成,一台用来加工椎柄及底面部分,另一台用来加工弧面部分,一共两次装夹。

机床的具体性能参数如表3-1。

性能

卡盘尺寸

8英寸

最大切削直径

356毫米

标准切削直径

275毫米

最大切削长度

510毫米

X轴移动

260毫米

Z轴移动

590毫米

最大主轴转速

5000r/min

刀位数

12

表3-1机床参数

图3-1

3.2装夹定位方案

3.2.1加工端面、底面时的方案

由于底面、端面和椎柄时再同一台机床加工，因此在加工椎柄时我们需要以椎柄为旋转轴中心，但是可供卡盘装夹的只有圆柱头部分，由于圆柱头与椎柄不在同一条直线上，因此直接装夹圆柱头的话则椎柄无法处于旋转中心，车床无法完成加工。

鉴于这种情况，我们需要只用一种“介质”，通过这种介质既能使椎柄位于主轴的旋转中心，又能使底面圆心位于主轴旋转中心，考虑到椎柄属于偏心，因此我们设计出偏心夹具,只要保证椎柄偏心距离等于夹具偏心距离即可。

由于加工底面和端面时，需要使底面圆心与主轴中心重合，因此可以按照下图3-2、3-3所示进行装夹：

图3-2加工底面部分的偏心夹具

为了保证装夹的可靠性，防止工件在加工过程中松动或抖动而造成零件或者刀具的报废，因此一定要严格按照装夹要求进行装夹。

将圆柱头放入夹具内，将圆柱头的凹槽处对准调节螺母，防止圆柱头在夹具内旋转，推进工件与夹具接触面贴紧，然后用扭力扳手拧紧夹具后面的螺丝（图3-2中的夹紧装置），扭力为：

600-900英寸磅或者68-102牛顿.米（1英寸磅=0.113牛顿.米）。

经过以上的装夹，工件相对夹具的自由度为0，符合装夹要求。

工件与夹具固定好之后将夹具放入三爪卡盘内并夹紧，其装夹示意图如3-3所示：

图3-3装夹示意图

每次加工之前都要检查卡爪压力，卡爪压力设定在2Mpa，把夹具装入卡爪内，然后夹紧，确保夹具与卡爪的接触面贴合，为了保证椎柄与主轴旋转中心线的一致性，此时应用跳动表测量外圆面，毛坯跳动应该在0.5mm以内，跳动超过此范围不能够加工，应通知关人员。

3.2.2加工椎柄时的方案

加工椎柄时，由于加工时是以椎柄为旋转中心，此时需要使椎柄与主轴旋转中心重合，具体方法：

松开卡爪，将夹具翻转180°，然后夹紧卡爪，确保夹具与卡爪的接触面贴合，为了保证椎柄与主轴旋转中心线的一致性，此时应用跳动表测量椎柄面，毛坯跳动应该在0.25mm以内，跳动超过此范围不能够加工，应通知关人员。

装夹示意图如图3-4、3-5所示：

图3-4加工椎柄部分时的夹具

图3-5加工椎柄部分时的装夹示意图

图3-6圆柱头夹具实物

3.3刀具及切削用量选择

由于原材料是钴珞合金，属于难加工的材料，而工件表面质量，尺寸精度要求较高，因此在选择刀具时要多个角度综合考虑。

通过参考公司刀具参数说明书以及对技术员的请教，从而了解到加工该产品的刀具性能以及切削用量。

3.3.1刀具的选择

对于刀具的性能，从刀片槽型，刀片材质，切削速度三个方面着手。

公司加工产品的刀片都为肯纳飞硕（KENNAMETAL）公司生产的合金钢，且都是涂层刀具。

图3-3部分加工刀具

首先，这三把刀具都是车刀，他们的刚性比较好，硬度较高,是刀具中比较好的刀具。

（1）第一把刀是端面及底面的精车刀，刀位号为T01。

刀具的选择：

从三要素可知，该刀片属于正角刀片的Screw-ON刀片，是对所有材料进行内圆车削以及在中小型车床上进行外圆车削的首选。

同时，有模铸型或周边经磨削的平板槽型和切削控制槽型也可