人体骨骼支持钢板的数控加工.docx

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人体骨骼支持钢板的数控加工

课题人体骨骼支持钢板的数控加工

学生姓名

学号

专业班级

指导老师

设计完成日期

毕业论文（设计、作业）任务书

（任务书须经指导教师指导、审查并签名）

学生姓名

专业及班级

毕业论文（设计、作业）题目

人体骨骼支持钢板的数控加工

任务书内容：

（主要研究内容、基本要求、主要参考资料等）

1.零件图纸分析

●产品背景介绍

●用CAD画出零件图

2.数控加工工艺设计

●工序的制定

●定位基准的选择、夹具的选用、刀具的选用、切削用量等

3.具体零件加工

●数控编程（手工或自动）

●用仿真软件仿真零件的加工，或实际加工出零件样件

4.撰写毕业设计论文

●画出CAD零件图、三位造型图

●编写设计说明书（包括有关计算及程序说明,不少于4000字）

主要参考资料：

1.机械加工工艺2.数控编程与操作3.CAD/CAM应用

毕业论文（设计、作业）进度计划：

1、期限：

自200年3月15日起至200年5月15日

2、具体进度安排：

年/月/日

计划完成内容

0年3月30日

资料收集、设计初步方案

0年4月15日

完成工艺设计和数控编程、调试加工（2，3）

0年4月30日

进一步调试优化程序，整理数据，完成毕业设计论文初稿

0年5月15日

打印装订、递交论文，指导教师审阅，进一步修改完善，准备答辩

0年5月中下旬日

答辩

指导教师意见：

指导教师（签名）：

年月日

摘要4

一、零件图纸分析5

二、产品加工工艺设计11

三、具体零件加工14

四、讨论及总结20

参考资料21

摘要

通过对所需产品的市场需求、产品性能、要求及其原理进行分析，设计安排了工艺流程、详细叙述了数控加工的具体程序并进行了批量生产。

关键词：

骨骼钢板设计加工

一、零件图纸分析

（一）产品背景介绍

1.对市场及临床、顾客关注点的分析

根据目前医疗器械产品市场的需求信息以及对经销商结合医院临床病例分析，另外根据目前建筑行业的发展势头和交通事故及以外事故所导致的骨折病例日渐增多，目前对金属接骨板，特别是异型接骨板的需求量很大，而且的对于骨折进行人体内直接对骨骼进行固定相比体外固定治疗和恢复的效果更好，此项医疗技术已经比较成熟，因此有必要开发此类产品，不仅在安全性、稳固性方面更优越，而且价格与市场上同类的进口产品相比较，价格更适合中国国情，很受广大患者的欢迎。

经分析开发此类产品有较大的市场。

2.产品预期使用目的、使用功能的分析

该产品是供骨科手术时作骨折断端连接使用的内固定产品，该类产品在市场上流淌已有相当长的一段时间，这根据使用后的临床情况分析，基本能满足产品预期使用目的。

3.产品结构及设计原理的分析

在设计原理方面更着重考虑手术实际应用时与人体骨贴合的程度，设计方案是切实可行的。

4.产品使用功能

该产品供骨科手术时作骨折断端连接使用，通过螺钉与人体骨固定，板与钉之间配合固定，从而防止术后股指断端的倾斜、旋转和移动。

5.产品结构及设计原理

金属接骨板分直型、异型两种型式，其中直型又分四肢用、脊柱用和颌面用，异型又分为四肢用和脊柱用，为了使接骨板和人体骨有最大的接触面，接骨板的形状均按照人体骨表面的形状设计进行设计。

接骨板上螺钉孔的形式根据标准要求采用球形孔和锥形孔两种，孔径则根据使用部位所使用的螺钉进行确定。

金属接骨板通过螺钉讲其固定于骨骼表面，并起到成角和轴间的稳定性来取得可靠的效果。

6.主要性能要求

1）材料

骨接合金属植入物的化学成分应符合GB4234、GB/T13810、ISO5832系列标准的规定；骨接合金属植入物的显微组织应符合GB4234、GB/T13810、ISO5832系列标准的规定。

2）机械性能

标准YY0017、YY0018、YY0019、YY0119、YY0120、YY0345、YY0346，对金属接骨板、金属接骨螺钉、金属髓内针、金属矫形用钉、金属矫形用棒、金属骨针、金属股骨颈固定钉的机械性能（硬度、抗拉强度）要求如下：

a硬度：

不锈钢产品≥210HV10（其中梅花针产品≥210HV10）；钛合金产品≥260HV10；纯钛产品≥150HV10。

b抗拉强度：

对双矩形弹性针、圆形弹性针、钩针弓形针、弧形针、细针、三角针、矫形用棒、骨针要求抗拉强度符合相应标准的规定。

c国际标准对骨接合相关产品机械性能的要求

ISO6475《外科植入物—不对称螺纹和球形下表面金属接骨螺钉—力学性能和试验方法》规定了不锈钢接骨螺钉的断裂扭矩和断裂扭转角；ISO9585《外科植入物—接骨板弯曲强度和刚度的测定》标准规定了接骨板弯曲强度和刚度的测试方法；ISO5838-1《外科植入物用骨针和金属丝—材料和机械性能要求》规定了骨外科用骨针和金属丝的材料和机械性能；ISO10334《外科植入物—缝合和其它外科用韧性金属丝》规定了在外科中用来缝合以及固定组织和植入物的其它形式的韧性金属丝的尺寸和机械性能。

3）耐腐蚀性能

YY0341及骨接合不锈钢类产品行业标准中都规定不锈钢类骨接合植入物经恒温水浴筛选试验后，产品表面不应锈蚀、斑痕等缺陷；不锈钢类骨接合植入物最终表面的点蚀电位值（Eb）应不低于800mV。

点蚀电位的测定方法采用YY/T1074《外科植入物不锈钢产品点蚀电位》规定的方法。

4）表面缺陷

YY0341及骨接合金属植入物产品标准中都规定骨接合金属植入物表面不得有不连续性缺陷。

采用YY/T0343《外科金属植入物液体渗透检验》规定的方法检验，检验程序包括：

渗透、乳化剂的施加、多余渗透材料的去除、干燥、显像剂的应用、检查、辅助观察、解释与评定。

5）表面粗糙度

YY0017、YY0018、YY0019、YY0119、YY0120、YY0345、YY0346分别规定了对金属接骨板、金属接骨螺钉、金属髓内针、金属矫形用钉、金属矫形用棒、金属骨针、金属股骨颈固定钉表面粗糙度Ra的要求。

6）标志

YY0341规定骨接合植入物上应有永久性标志，标志由材料代号、厂名代号、制造年份和生产批号（或灭菌批号）四部分组成。

一般要求在每件植入物上选择低应力区标上永久性标志，不能影响植入物的预期性能；标志应完整、清晰、整齐；不能容纳标志全部内容的植入物，可只打材料标志；无法容纳材料标志的，应在小包装上注明标志的全部内容。

1.1.7关键材料：

医用不锈钢（Cr18Ni15Mo3N）、纯钛。

（二）产品举例

由于品种比较烦多，选2件举例（零件图附后）

1.股骨支持钢板

2.高尔夫（胫骨近端外侧）钢板

股骨支持钢板——主视图

股骨支持钢板——侧视图及剖面图

高尔夫（胫骨近端外侧）钢板——主视图

高尔夫（胫骨近端外侧）钢板——侧视图及剖面图

二、产品加工工艺设计

（一）对工艺设计的要求

1.生产类型的安排

生产类型可分为单件生产、成批生产和大量生产。

该种产品属轻型零件（4kg以下）一般每批生产约100~500件属小批生产，但产品比较多属成批生产。

所以基本考虑工序分散，跟据公司情况使用万能设备：

普通铣床及数控铣床，使用通用夹具：

虎台钳、压板等，一般的刀具量具：

高速钢立铣刀和键槽铣刀；游标卡尺和外径千分尺，通过划线找正，根据测量进行试切加工。

通过锻造进行下料。

2.基准及其选择

设计基准是设计图样上所采用的基准，工艺基准是零件在工艺过程中所采用的基准分为定位基准、测量基准和装配基准。

定位在工序上是比较重要的一部分，直接决定了产品的尺寸精度，所以定位基准的选择需遵循以下几点：

对于精基准要遵循基准重合的原则、基准统一的原则、互为基准的原则、自为基准的原则，而对于粗基准应注意要选择余量小而均匀的重要表面作为粗基准、选择不需要加工的表面作为粗基准、选择平整、定位可靠的面作为粗基准，但一般粗基准只能使用一次。

不是单件生产工序又分散，因此不能保证重复装夹时的位置精度，故应避免重复使用。

3.工序的安排

工序的安排要遵循基准先行、先粗后精、先主后次、先平面后孔的原则。

4.加工准备及说明

选择钢板孔的中心孔进行插销定位，用压板进行夹紧，铣四周；铣加压孔时用虎口钳夹紧，用成型刀进行铣削，如选用Φ8的刀具一般铣削时编程速度为100，加工速度为50左右，铣削量为0.5mm。

由于原料已经过热处理故不需要再处理，可直接进行加工首先进行剪板即按所需要加工的钢板线路认清方向剪成钢板尺寸符合的长条，然后使用相应吨位的冲床进行下料，余量大于图纸1mm进行第一次整形以确保钢板的平整，再进行定位：

使用数控铣床按图纸上的尺寸操作定出有效的小孔位置，在钳工部钻小孔和预留孔，由于因材料比较硬，所用的刀具是高速钢，直接进行铣削比较困难对刀具损耗也比较大，因此需要钻预留孔以减少一次铣削余量，通过铣削铣去冲床下料时的小裂纹和大部分余量达到图纸的外形尺寸，留加工余量0.2，基本达到图纸要求，最后使用液压机加热后进行最终的成形。

在加工中需要调整参数以降低表面的粗糙度值：

选择合理的切削用量、合理选用刀具材料和几何参数。

在铣削加工中，采用顺铣还是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之一。

铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。

通常，由于数控机床采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。

同时为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料尽量采用顺铣加工，但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为合理。

经过综合分析和对实际生产的验证，采用逆铣，精加工时和加工纯钛材料时使用顺铣。

（二）工序的制定

股骨支持钢板：

剪板

下料

整形-1

定位

钻小孔

倒毛刺

切头子

铣四周

成形

整形-2

钻Φ4.5预孔

钻Φ5.5预孔

Φ6.6孔钻孔绞孔

铣5.2长孔

铣6.6长孔

磨外形

抛毛刺

整形-3

铣加压孔

齐头子

铣加压槽

锪孔

修毛刺

改孔

外形倒角

砂孔

初抛光

反面孔倒角

抛成品

清洗电解

喷砂

检验

打标

钝化

精洗

包装

入库

高尔夫（胫骨近端外侧）钢板:

剪板

下料（线切割）

整形-1

定位

钻小孔

倒毛刺

齐头子

成形

整形-2

钻Φ4.0预孔

钻Φ5.5预孔

Φ6.6孔钻孔绞孔

铣4.7长孔

斜孔铣长孔

磨外形

抛毛刺

整形-3

锪孔

铣4.7加压孔

斜孔铣加压孔

铣加压槽

修毛刺

改孔

外形倒角

砂孔

初抛光

反面孔倒角

抛成品

清洗电解

喷砂

检验

打标

钝化

精洗

包装

入库

三、具体零件加工

（一）数控编程（手工或自动）——按实际生产编程和说明

1.股骨支持钢板（５孔）:

1）定位程序：

中心为第一个长孔左中心

G54G90G17G0Z10

M03

M08

G0X35Y-28.5快速移动到定位点

G1Z-4F100下刀定位

G0Z3快速抬刀

G1X25.5Y-15.5移动到下一个定位点

Z-4F10

G0Z3

G1X18.5Y-1

Z-4F10

G0Z3

G1X29.5Y3.5

Z-4F10

G0Z3

G1X29.5Y3.5

Z-4F10

G0Z3

G1X0Y0

Z-4F10

G0Z3

G1X-17Y-1.6

Z-4F10

G0Z3

G1X-34Y1.6

Z-4F10

G0Z3

G1X-51Y-1.6

Z-4F10

G0Z3

G1X-68Y0

Z-4F10

G0Z10

G0X-100主轴远离工件，方便装夹

M05

M30

2）外形铣削程序：

中心为中间的圆孔

用Φ10键槽铣刀，按外形刀具轨迹编程，采用逆铣的铣削方式。

G54G90G17G40G0Z10

M08

G0X60Y19.75

G1Z-3F50

G1X12.419F100

G2X-5.83Y17.597R60

G3X-23.457Y-4.856R15

G2X-24.957Y14.856R7.5

G3X-1.524Y-31.946R-15

G2X23.634Y-19.75R27

G1X60

G0Z10

M30

圆孔在钳工上完成，另一边因装夹时用压板压住无法在铣四周时同时铣削，故另一边在普通铣床上齐平达到尺寸要求。

3）加压孔铣削程序：

分2道工序，先拉长孔再铣加压孔。

拉长孔：

尾部靠死，以左孔中心为中心,用Φ5的刀。

G54G90G17G40G0Z10

M08

G0X0Y0

G1Z-4F50

G1X0Y0.8F100

G3X0Y-0.8R0.8

G1X1.7Y-0.8

G3X1.7Y0.8R0.8

G1X0

G0Y0

Z2完成一个孔抬刀

G1X17Y1.6

G1Z-4F50

G1X17Y1.7F100

G3X17Y1.5R0.1

G1X20Y1.5

G3X20Y1.7R0.1

G1X17

G0Y1.6

X34Y-1.6

G1Z-4F50

G1X34Y-1.5F100

G3X34Y-1.7R0.1

G1X37Y-1.7

G3X37Y-1.5R0.1

G1X34

G0Y-1.6

X51Y1.6

G1Z-4F50

G1X51Y1.7F100

G3X51Y1.5R0.1

G1X54Y1.5

G3X54Y1.7R0.1

G1X51

G0Y1.6

X68Y0

G1Z-4F50

G1X68Y0.8F100

G3X68Y-0.8R0.8

G1X71Y-0.8

G3X71Y0.8R0.8

G1X68

G0Y0

X-100

M05

M30

加压孔程序：

中心在底边中心。

用Φ10的刀磨成成型刀。

G54G90G17G40G0Z10

M08

G0X8.5Y0

G1Z-2.5F80

X9.8Z-3.5F100沿斜线进给

X11.3再拉长到位

G4X1X方向暂停1秒

X9.8回到起始拉长点

G0Z2抬到准备加工第二个孔

G1X25.5Y1.6

G1Z-1.85F80

X26.8Z-2.5F100

X28.3

G4X1

X26.8

G0Z2

G1X42.5Y-1.6

G1Z-1.85F80

X43.8Z-2.5F100

X45.3

G4X1

X43.8

G0Z2

G1X59.5Y1.6

G1Z-1.85F80

X60.8Z-2.5F100

X62.3

G4X1

X60.8

G0Z2

G0X76.5Y0

G1Z-2.5F80

X77.8Z-3.5F100

X79.3

G4X1

X77.8

G0Z10

X-100

M05

M30

2.高尔夫（胫骨近端外侧）钢板（10孔）

1）定位

中心：

对刀时X在钢板的头边上（装夹时两边用虎台钳夹紧另一边放一档板靠死），Y在钢板两边的中心。

G54G90G17G40G0Z10

X-9Y21.8

G1Z0F100

G0Z2

Y6.8

G1Z0F100

G0Z2

X-26.5Y3

G1Z0F100

G0Z2

X44.5Y0

G1Z0F100

G0Z2

X-60.5

G1Z0F100

G0Z2

X-76.5

G1Z0F100

G0Z2

X-92.5

G1Z0F100

G0Z2

X-108.5

G1Z0F100

G0Z2

X-124.5

G1Z0F100

G0Z2

X-140.5

G1Z0F100

G0Z2

X-156.5

G1Z0F100

G0Z10

X-100

M05

M30

2）拉长孔

尾部靠死，以左孔中心为中心，用Φ5的刀磨成4.6的刀。

G54G90G17G40G0Z10

M08

G0X7.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X7.5Y-0.15R0.15

G1X11Y-0.15

G3X11Y0.15R0.15

G1X7.5

G0Y0

G0X23.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X23.5Y-0.15R0.15

G1X27Y-0.15

G3X27Y0.15R0.15

G1X23.5

G0Y0

G0X39.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X39.5Y-0.15R0.15

G1X43Y-0.15

G3X43Y0.15R0.15

G1X39.5

G0Y0

G0X55.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X55.5Y-0.15R0.15

G1X59Y-0.15

G3X59Y0.15R0.15

G1X55.5

G0Y0

G0X71.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X71.5Y-0.15R0.15

G1X75Y-0.15

G3X75Y0.15R0.15

G1X71.5

G0Y0

G0X87.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X87.5Y-0.15R0.15

G1X91Y-0.15

G3X91Y0.15R0.15

G1X87.5

G0Y0

G0X103.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X103.5Y-0.15R0.15

G1X107Y-0.15

G3X107Y0.15R0.15

G1X103.5

G0Y0

G0X119.5Y0

G1Z-4F50

G1Y0.15F100

G3X119.5Y-0.15R0.15

G1X123Y-0.15

G3X123Y0.15R0.15

G1X119.5

G0Y0

Z10

X-100

M05

M30

3）加压孔程序

中心在底边中心。

用Φ10的刀磨成成型刀。

G54G90G17G40G0Z10

M08

G1X7Y0

G1Z-1.85F80

X8.3Z-2.5F100

X9.8

G4X1

X8.3

G0Z2

G1X23

G1Z-1.85F80

X24.3Z-2.5F100

X28.5

G4X1

X24.3

G0Z2

G1X39

G1Z-1.85F80

X40.3Z-2.5F100

X41.8

G4X1

X40.3

G0Z2

G1X55

G1Z-1.85F80

X56.3Z-2.5F100

X57.8

G4X1

X56.3

G0Z2

G1X71

G1Z-1.85F80

X72.3Z-2.5F100

X73.8

G4X1

X72.3

G0Z2

G1X87

G1Z-1.85F80

X88.3Z-2.5F100

X89.8

G4X1

X88.3

G0Z2

G1X103

G1Z-1.85F80

X104.3Z-2.5F100

X105.8

G4X1

X104.3

G0Z2

G1X119

G1Z-1.85F80

X120.3Z-2.5F100

X121.8

G4X1

X120.3

G0Z2

G1X135

G1Z-1.85F80

X136.3Z-2.5F100

X137.8

G4X1

X136.3

G0Z2

G1X151

G1Z-1.85F80

X152.3Z-2.5F100

X153.8

G4X1

X152.3

G0Z10

M05

M30

（二）实际加工出零件样件

1.股骨支持钢板

2.高尔夫（胫骨近端外侧）钢板

四、讨论及总结

上述程序均基本按照实际生产的程序编写，很明显所有的程序都未用刀补，而且都是用的按轨迹编制的程序，在加工内孔时建立和取消刀补会减低加工的效率、由于孔太小无法建立刀补，但会在一定程度上减低了产品的精度，但在铣削外形时可以用建立刀补来铣削，而且一但刀具有磨损更改程序更加繁琐，不可能刀具一有磨损就跟换新的刀具；另一方面都采用刀具轨迹编程对刀具的要求有局限性，一个程序只能用一把刀具；对于同一个钢板上有相同形状的孔时，也都是用死编的方法，若用调用子程序的方法程序的将变得精简，运用刀具补偿来控制加工的尺寸，这样同时地更改，效率高也更加精确，相比通过更改程序或更改坐标系的位置也不容易出错，给输入带来了方便也给程序的修改带来了方便。

如对高尔夫（胫骨近端外侧）钢板铣长孔的程序更改如下：

G54G90G17G40

G0Z10

M08

G0X0Y0

X7.5Y0

G91

M98080001

G90Z10

X-100

M05

M30

子程序

O0001

G1Z-4F50

G41H1

G1Y0.15F100

G3X0Y-0.15R0.15

G1X11Y-0.15

G3X11Y0.15R0.15

G1X7.5

G40

G0Y0

X16

M99

通过论文的编写，运用了3年来所学，并将所学运用到实际生产中，锻炼并验证了自己所学，也认识到了仅仅在学校的所学是不够的，要通过更多的努力和学习才能真正学以致用。

参考文献

[1.]顾京.[M]机械加工工艺

[2.]范崇洛谢黎明.[M]数控加工编程及操作

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