医用砂线切割机及其加工对策研究

苏波 张龙

摘 要：阐述了现有医用植入级高交联聚乙烯塑料（HPE）毛坯备料困难造成成本高的生产技术问题，在此基础上设计了一款医用砂线切割机，用于切割任意形状的塑料毛坯原料，有效减少了加工过程中的损耗，并能为后续的机械加工节约时间，提高生产效益。现首先介绍了医用砂线切割的工作原理，并建立了三维模型，用ANSYS软件进行静力学仿真，通过有限元分析验证了医用砂线切割机结构的可靠性。

关键词：植入级高交联聚乙烯塑料;医用砂线切割机;ANSYS

中图分类号：TG48    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）08-0066-03

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

0    引言

塑料作为日常生活中常见的一种材料，已广泛应用于各种生产加工领域。在医学领域内，塑料制品除了被制成注射器、点滴瓶以外，高端塑料还被用于制作人工脏器。塑料具有优越的化学稳定性、生物体可替代性、生物体相容性，不会引起人体自身免疫反应，如出现过敏、炎症、致癌等问题[1]，且易于加工，可杀菌消毒。作为人体脏器官的可替代物，医用植入级高交联聚乙烯塑料（HPE）的成本较高，在切削加工中如何节约生产成本，成为医用产品生产企业广泛关注的一个问题[2]。

常见的骨科类医用塑料加工手段有注塑法和机械加工法。注塑法适合于批量同规格产品的制作，对于人体结构各异的关节，注塑并不能够满足现有需求。利用机床可以定制化加工服务于不同人群的骨骼医用植入级高交联聚乙烯塑料（HPE），且加工出的医用塑料产品性能优越，因此，机加工是现在可替代人体骨骼关节领域的主要加工手段。

机械加工主要是对毛坯原料进行切削加工，毛坯原料多为医用高分子塑料，价格高，如何减少毛坯原料的损耗，就成为降低加工成本，提高企业效益的关键。现在毛坯原料的切割方法多为锯床切割，但这种加工工艺会浪费很多原料。因此，实现根据产品最终形态进行切割，成为节约生产成本的关键因素[3]。

本文设计了一种医用砂线切割机，可以切割任意形状的毛坯原料，有效减少了加工过程中的损耗，并能为后续的机械加工节约时间，提高生产效益。

1    医用砂线切割机工作原理

医用砂线切割机是利用固结金刚砂线切割医用高分子材料的设备。固结金刚砂线切割原理是通过磨损固结在金属母线上的人工金刚石颗粒来去除工件材料[4]。

医用砂线切割机采用固定循环式切割方式[5]，可以高效地完成医用植入级高交联聚乙烯塑料（HPE）的切削，表面加工质量较高，切削效果较好。切割过程中，通过气弹簧元件控制金刚砂线的松紧程度，保持金刚砂线张紧力恒定，以确保切割表面的加工质量。选择伺服电机作为动力输出，保证切削控制的稳定性。医用砂线切割机原理图如图1所示。

图1中，工件固定在夹具上，放置在金刚砂线的后方。首先将金刚砂线安装到医用砂线切割机各轮上，启动气弹簧，金刚砂线张紧，伺服电机带动动力轮运动，金刚砂线循环切割，可以实现平面X、Y两个方向的伺服运动控制，完成医用高分子材料的毛坯切割，切割好的毛坯可以拿到后续机床上进行下一步加工，如图2所示。

采用该砂线切割机进行切割，不仅切口小、刃具不变形，避免了因UHMWPE特殊的热学性能而造成的切割加工问题，更为重要的是，作为线切割加工，切割线还可以沿曲线或曲面运动，从根本上避免了下料时材料浪费的问题，提高了材料利用率，降低了材料使用成本。

2    医用砂线切割机建模

根据医用砂线切割机的工作原理，利用三维软件UG对医用砂线切割机设备进行三维实体建模。

根据医用砂线切割机原理图设计回环线的三维结构，将导向轮、排线轮、张紧轮、动力轮安装到F支架上，如图3所示。

绘制医用砂线切割机的底座，底座上安装十字滑台，十字滑台上要设置专用夹具，保证长条形毛坯可以夹持在工作台面上，便于后续批量加工工件，如图4所示。

最后将医用砂线切割机F支架安装到砂线切割机底座上，保证专用夹具位于F支架导向轮和排线轮之间，这样才能够有效切割毛坯，如图5所示。

3    医用砂线切割机有限元分析

本文利用三维绘图软件对医用砂线切割机进行建模工作。医用砂线切割机相对容易变形和薄弱的位置是F支架，F支架采用灰铸铁铸造而成，重量很大，因此对医用砂线切割机F支架进行有限元分析。首先对该模型机构进行倒角、去尖角等适当简化，并将前置吊架机构导入ANSYS软件中建立有限元模型，选择Solid 10 node 187号单元对框架进行网格划分。F支架网格划分如图6所示。

F支架材料选择的是灰铸铁HT200，弹性模量0.8×105 N/m2、泊松比0.25、密度7.2×10-6 kg/m3，在常温环境下，HT200的许用应力为30 MPa。定义约束与载荷，气动支撑杆只有0.6 MPa的压力，主要的承载力来源是自身的重力，考虑到安全极限分析，将重力集中到F支架右端的两个端面，得出医用砂线切割机F支架的应变云图和应力云图，如图7所示。

由图7（a）F支架的合位移等值线图可知，F支架变形量最大部位是在右端的两个端面，变形量最大值为0.16 mm，该变形量非常小，不会造成设备变形;由图7（b）节点应力等值线图可知，F支架最大应力值σmax=6.6 MPa，该应力值远小于灰铸铁HT200的最大屈服应力30 MPa。因此，医用砂线切割机F支架的刚度和强度均能满足设计要求。

4    结语

本文采用ANSYS软件对医用砂线切割机F支架进行静力学分析，得到应变和应力云图，完成F支架的刚度和强度校核，满足设计要求。

以降低医用砂线切割机F支架制造成本为目标，可以采用45号钢作为医用砂线切割机F支架的材料，通过有限元分析可知，其结构强度更高，满足医用砂线切割机的可靠性要求，同时节约了制造成本和时间，對医用砂线切割机的优化设计可以起到很好的指导作用。

[参考文献]

[1] 韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2] 丁黎光.工程塑料难以切削加工对策的研究[J].工程塑料应用，2002（4）：29-31.

[3] 杨俊飞，田欣利，刘超，等.非金属硬脆材料加工技术的最新进展[J].新技术新工艺，2009（8）：10-16.

[4] 王琮.多线切割机的现状及发展趋势[J].电子工业专用设备，2008，37（11）：10-11.

[5] 张义兵，戴瑜兴，汤睿.多线切割机走线速度换向过程控制[J].湖南大学学报（自然科学版），2010，37（7）：37-41.

收稿日期：2022-01-05

作者简介：苏波（1982—），男，湖南人，工程师，研究方向：骨科植入物生产工艺管理。