蘇波 張龍

摘 要：闡述了現(xiàn)有醫(yī)用植入級高交聯(lián)聚乙烯塑料（HPE）毛坯備料困難造成成本高的生產(chǎn)技術(shù)問題，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款醫(yī)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(xù)的機械加工節(jié)約時間，提高生產(chǎn)效益。現(xiàn)首先介紹了醫(yī)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(xué)仿真，通過有限元分析驗證了醫(yī)用砂線切割機結(jié)構(gòu)的可靠性。

關(guān)鍵詞：植入級高交聯(lián)聚乙烯塑料;醫(yī)用砂線切割機;ANSYS

中圖分類號：TG48? ? 文獻標(biāo)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(yīng)用于各種生產(chǎn)加工領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，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(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)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(yīng)，如出現(xiàn)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(yī)用植入級高交聯(lián)聚乙烯塑料（HPE）的成本較高，在切削加工中如何節(jié)約生產(chǎn)成本，成為醫(yī)用產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)廣泛關(guān)注的一個問題[2]。

常見的骨科類醫(yī)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(guī)格產(chǎn)品的制作，對于人體結(jié)構(gòu)各異的關(guān)節(jié)，注塑并不能夠滿足現(xiàn)有需求。利用機床可以定制化加工服務(wù)于不同人群的骨骼醫(yī)用植入級高交聯(lián)聚乙烯塑料（HPE），且加工出的醫(yī)用塑料產(chǎn)品性能優(yōu)越，因此，機加工是現(xiàn)在可替代人體骨骼關(guān)節(jié)領(lǐng)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(yī)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(yè)效益的關(guān)鍵?，F(xiàn)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(xiàn)根據(jù)產(chǎn)品最終形態(tài)進行切割，成為節(jié)約生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素[3]。

本文設(shè)計了一種醫(yī)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(xù)的機械加工節(jié)約時間，提高生產(chǎn)效益。

1? ? 醫(yī)用砂線切割機工作原理

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

醫(yī)用砂線切割機采用固定循環(huán)式切割方式[5]，可以高效地完成醫(yī)用植入級高交聯(lián)聚乙烯塑料（HPE）的切削，表面加工質(zhì)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(zhì)量。選擇伺服電機作為動力輸出，保證切削控制的穩(wěn)定性。醫(yī)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(yī)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(huán)切割，可以實現(xiàn)平面X、Y兩個方向的伺服運動控制，完成醫(yī)用高分子材料的毛坯切割，切割好的毛坯可以拿到后續(xù)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(xué)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(yī)用砂線切割機建模

根據(jù)醫(yī)用砂線切割機的工作原理，利用三維軟件UG對醫(yī)用砂線切割機設(shè)備進行三維實體建模。

根據(jù)醫(yī)用砂線切割機原理圖設(shè)計回環(huán)線的三維結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)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(yī)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(shè)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(xù)批量加工工件，如圖4所示。

最后將醫(yī)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(dǎo)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(yī)用砂線切割機有限元分析

本文利用三維繪圖軟件對醫(yī)用砂線切割機進行建模工作。醫(yī)用砂線切割機相對容易變形和薄弱的位置是F支架，F(xiàn)支架采用灰鑄鐵鑄造而成，重量很大，因此對醫(yī)用砂線切割機F支架進行有限元分析。首先對該模型機構(gòu)進行倒角、去尖角等適當(dāng)簡化，并將前置吊架機構(gòu)導(dǎo)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(wǎng)格劃分。F支架網(wǎng)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(huán)境下，HT200的許用應(yīng)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(yī)用砂線切割機F支架的應(yīng)變云圖和應(yīng)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(xiàn)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(shè)備變形;由圖7（b）節(jié)點應(yīng)力等值線圖可知，F(xiàn)支架最大應(yīng)力值σmax=6.6 MPa，該應(yīng)力值遠小于灰鑄鐵HT200的最大屈服應(yīng)力30 MPa。因此，醫(yī)用砂線切割機F支架的剛度和強度均能滿足設(shè)計要求。

4? ? 結(jié)語

本文采用ANSYS軟件對醫(yī)用砂線切割機F支架進行靜力學(xué)分析，得到應(yīng)變和應(yīng)力云圖，完成F支架的剛度和強度校核，滿足設(shè)計要求。

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

[參考文獻]

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

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[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(xué)學(xué)報（自然科學(xué)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(chǎn)工藝管理。