摘 "要：通過對L字形骨科接骨板進行工藝分析，采用SurfMill軟件進行軟件編程，進行了虛擬仿真加工和實際加工，驗證了加工工藝和SurfMill軟件的相應模塊，證明了工藝方案的可行性和國產(chǎn)SurfMill軟件的可靠性，為骨科接骨板加工制造提供一種新方案。

關鍵詞：骨科接骨板；五軸定向；工藝分析；SurfMill軟件；虛擬加工技術

中圖分類號：TH162 """""""文獻標志碼：A

Research and practice of orthopedic plate processing based on SurfMill software

LIU Yanshen1，3，WANG Shuai2，3

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi， China；

2. Xian Jingdiao Precision Mechanical Engineering Co.， Ltd， Xian 710000， Shaanxi， China；

3. Precision Processing Technology Ramp;D Center of Shaanxi Polytechnic Institute，

Xianyang 712000， Shaanxi， China）

Abstract： By analyzing the process of Lshaped orthopedic plate and using SurfMill software for software programming， the process and SurfMill software were verified by virtual simulation processing and actual processing， which proved the feasibility of the process plan and the reliability of the domestic SurfMill software.

Key words： orthopedic plate; five axis orientation; analysis on technological processes; SurfMill software; virtual machining technology

0 "引 "言

骨科接骨板是帶孔板狀骨折內(nèi)固定器件，臨床上常與骨螺釘或者接骨絲配合用于治療骨折，分為普通接骨板和加壓接骨板兩類，根據(jù)不同用途可制成條形、Y字形、L字形、T字形等。鈦合金接骨板優(yōu)于接骨鋼板，且可長久保留，因此多為Ti6AI4V鈦合金材質(zhì)。接骨板結構特征復雜，曲面和孔槽特征較多，對加工精度及表面粗糙度要求高。

骨科接骨板如何完成加工是關鍵，L字形接骨板（圖1）加工主要采用五軸定位加工方式完成，需要借助CAM軟件才能實現(xiàn)［1］。SurfMill軟件是中國機床行業(yè)頭部企業(yè)——北京精雕科技集團有限公司自行研發(fā)的一款CAM軟件［2］。

1 "工藝分析

工藝分析是編寫加工程序前的必備工作，需要充分了解加工要求和工藝特點［3］，合理規(guī)劃工藝路線和編寫加工程序。該工件的加工要求和工藝特點如圖2所示。

1.1 "編程加工方案

由于接骨板是異形工件，因此在加工編程前先給接骨板增加足夠強度的輔助支撐，后續(xù)再將輔助支撐與接骨板連接的地方通過刀具逐層切削，使接骨板從輔助支撐上脫落［4］。

最終加工方案為：采用SurfMill軟件，通過五軸定位加工、曲面投影、鉆孔、輪廓切割等加工方法分別對所需加工的各部位進行加工編程［5］，如圖4所示。

機床設備：產(chǎn)品精度要求較高，且結構特征復雜，需要完成正反曲面及多個孔的加工，考慮選擇全閉環(huán)五軸機床。該產(chǎn)品尺寸為157.2mm×17.6mm×37.5mm（厚度為3.2mm），毛坯尺寸160mm×20mm×45mm，配合工裝夾具，整體尺寸偏大，所選機床的回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)直徑最好在300mm以上；該產(chǎn)品為難加工鈦合金材料，為提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，所用機床的主軸扭矩最好在150N·m及以上。

加工刀具：鈦合金屬為難加工材料，硬度較高，加工過程中容易發(fā)生粘刀，因此必須選擇剛性強的刀具。產(chǎn)品邊角及孔特征較多，刀具需要進行避空處理［6］。

1.2 "加工工藝

為保證機床加工的高效率，基于SurfMill軟件設計了包含23個工步的加工工藝。加工工藝設計受限于機床選擇、加工刀具、模型特點、加工要求、環(huán)境等諸多因素，因此工藝卡提供的切削參數(shù)僅供參考，實際加工時可根據(jù)實際加工的具體情況重新設定切削參數(shù)［7］。

1.3 "裝夾方案

產(chǎn)品加工位置為整個接骨板，可裝夾整塊毛坯料進行加工，故采用專用夾具加螺釘固定方式裝夾［8］，如圖5所示，對毛坯表面光刀后，以毛坯表面為基準進行加工，夾具與臺面用螺釘拉緊方式固定，可快速進行批量生產(chǎn)。

2 "基于SurfMill軟件進行編程

2.1 "編程加工準備

編制刀路前需要在軟件中進行一些必要的準備工作。創(chuàng)建虛擬制造環(huán)境，具體內(nèi)容包括：機床設置、創(chuàng)建刀具表、創(chuàng)建幾何體、幾何體安裝設置等。機床選擇5軸機床“JDGR400_A15SH”，選擇機床輸入文件格式為“JD650 NC（As Eng650）”。刀具創(chuàng)建按照前面工藝表中所列刀具依次進行添加。幾何體的設置分為3個部分：工件設置、毛坯設置和夾具設置。工件有些部位需要倒角處理，部分倒角生成過程中如果選“幾何體”作為加工域幾何體，由于保護面的影響，生成路徑存在多處連刀和打折現(xiàn)象，需要建立一個“空幾何體”，用作倒角路徑的生成。在最后工序中需要進行落料，因此還需建立一個加工面只有工件圖層的幾何體，毛坯和夾具設置保持和幾何體設置一樣，將幾何體重命名為“落料幾何體”，用于落料加工幾何體的選用。最后完成幾何體安裝即可，若自動擺放后安裝位置不正確，可以通過原點平移、繞軸旋轉(zhuǎn)方式進行調(diào)整。

2.2 "編寫加工程序

接骨板加工包含了開粗、曲面精加工、鉆孔、倒角等工序，根據(jù)不同的特征采用不同的加工方法［9］。加工方法多為五軸定位加工，需要建立多個局部坐標系、輔助面和輔助線。局部坐標系的作用是在編程過程中控制加工刀路的刀軸方向，實現(xiàn)定向加工，因此每個需要定向加工的特征均需要設置局部坐標系。

由于來料毛坯尺寸誤差較大，需要對毛坯進行修整，可選擇2.5軸中單線切割、輪廓切割等加工方法對毛坯進行預處理。

基于改變刀軸方向后，實現(xiàn)五軸定向加工，因此該模型加工過程中零件的各個特征主要都是三軸加工方式完成，加工方式在SurfMill軟件有多種選擇，按照工藝表中所列加工方法即可完成刀路編制［10］。編程中部分需要注意的內(nèi)容如下。

2.2.1 "開粗

產(chǎn)品整體彎曲程度大，一次開粗不到位，因此需要在俯視、前視、后視3個方位進行開粗，采用三軸分層區(qū)域粗加工方法［11］，每個方向開粗一定要選好加工域，盡量避免重合，導致生成過多空刀路，影響加工效率。

2.2.2 "前、背面精加工

接骨板前面較平坦，采用平行截線加工方法；側面為圓弧曲面，為保證前后曲面刀紋一致性，表面粗糙度符合要求，采用五軸曲面投影精加工；接骨板背面特征為后面曲面和耳朵曲面，均較為平坦，采用平行截線加工方法［12］。前、背面精加工的4個加工域如圖6所示。

（a） 接骨板前面精加工加工域

（b） 接骨板側面精加工加工域

（c） 背面精加工加工域

（d） 耳朵曲面精加工加工域

2.2.3 "鉆孔加工

接骨板前面孔、槽特征較多，各孔軸線不平行，此處采用多軸定位加工的方法［13］，通過改變刀軸方向可以安全、高效地完成孔加工。

2.2.4 "前方槽加工及倒角加工

前方槽為鏤空結構，槽輪廓可使用2.5軸單線切割方法［14］。倒角加工方式較多，可以選擇倒角刀或者合適直徑的球頭刀利用等高外形加工方法、曲面流線加工、導動加工等方式完成刀具軌跡編制。

2.2.5 "模擬和輸出

完成程序編寫工作后，需要對刀具軌跡進行模擬仿真［15］，保證程序在實際加工中的安全性，具體使用的機床最好與編程準備過程中所選機床是一致的，才能保證模擬正確后在機床上也能正確加工。點擊功能區(qū)中的“刀具路徑”，選擇“機床模擬”命令進入機床模擬功能，調(diào)節(jié)模擬速度后［16］，點擊模擬控制臺的“模擬開始”按鈕開始進行機床模擬，如圖7所示。模擬無誤后即可按照順序后置處理生成各個工步的加工程序。

2.2.6 "程序輸出

模擬加工無誤，通過軟件的后處理器生成加工程序，后處理器和機床一定要匹配。由于程序太長，只截取了一部分加工程序，如圖8所示。

2.2.7 "機床加工驗證

將做好的刀路轉(zhuǎn)化為加工程序傳輸?shù)絁DGR400_A15SH機床上進行加工驗證，為了更好地展示加強筋與底座連接情況，未進行落料加工工步，加工結果如圖9所示。

3 "總 "結

（1） 接骨板孔位多，加工精度高，工件裝夾要保證剛性，還要保證加工效率，需要一次性裝夾加工所有特征。

（2） 接骨板在加工的過程容易變形，本文采用3個加強筋與底座連接，保證了加工過程中工件的剛性，避免了工件因刀具切削力而產(chǎn)生變形。

（3） 接骨板特征繁多，多采用多軸定位加工，要加工到各個部位，就需要使用局部坐標系，在SurfMill軟件中應用了大量的局部坐標系，這是SurfMill軟件多軸定位加工的一個特點，有些CAM軟件不需要設置局部坐標系就可以實現(xiàn)五軸定向加工時改變刀軸方向。SurfMill軟件中設置的局部坐標系只是起到改變加工過程中刀軸方向的作用，并不是用于加工的工件坐標系，在編程的過程中應注意局部坐標系的管理。

（4） 模擬加工可以理解為采用了數(shù)字孿生技術，因此模擬加工所用的機床、夾具、裝夾方式等一定要與實際加工時一致，確保模擬加工安全正確后，在實際加工中也是安全正確的。

（5） 通過對L字形接骨板編制加工工藝，在SurfMill軟件中編制刀路和程序，并在機床上進行了加工驗證，達到了要求，為接骨板加工提供了一種新方案。

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基金項目：2023年度陜西高等職業(yè)教育教學改革研究項目：數(shù)字化精密制造領域校企合作典型生產(chǎn)實踐項目建設與實踐研究（編號：23GY009）。

作者簡介：劉艷申，副教授，高級技師，主要從事數(shù)字化精密加工方面的研究。

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 "咸陽 "712000；2.西安精雕精密機械工程有限公司，陜西 "西安 "710000；3.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院精密加工技術研發(fā)中心 "陜西 "咸陽 "712000）