机械类毕业设计

苏州市职业大学机电工程学院毕业设计说明书PAGE第41页共41页学号苏州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

AbstractAsweallknow,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.KeywordsArtificialshoulderjointProcessingNCprogrammingSocialsignificance

目录1绪论………………………11.1人工关节制造的现状及意义…………11.2肩关节的简介…………11.3人工肩关节的种类……………………21.4肩关节产品的规格…………………31.5肩关节材料的选择……………………42肩关节零件加工的工艺设计……………62.1零件图加工要求分析…………………62.2加工方法的分析………62.3工艺过程分析…………83加工椎柄部分工序设计及程序编制……93.1机床的选择………………93.2装夹定位方案……………93.2.1加工端面、底面时的方案……………93.2.2加工椎柄时的方案……………………103.3刀具及切削用量选择……………………113.3.1刀具的选择…………123.3.2切削用量的选择………133.4加工顺序及走刀路线的确定……………133.4加工工序卡的制作………153.5数控程序的编写…………154加工圆弧部分工序设计及程序编制………174.1机床的选择…………………174.2装夹定位方案………………174.3刀具及切削用量选择……………………194.3.1刀具的选择…………194.3.2切削用量的选择……………………194.4加工顺序及走刀路线的确定……………203.4加工工序卡的制作……………………203.5数控程序的编写………215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1-21.3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）56x2152x2148x2144x2140x2156x1852x1848x1844x1840x1856x1552x1548x1544x1540x15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：椎柄顶面的半径的上下极限偏差为±0.25外圆台面的倒角最大值为R0.76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椎柄和底面的粗糙度要求为0.8～1.6，需要精加工圆弧面的线轮廓度为0.38椎柄的锥度为2.812°～2.854°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底面与圆弧面的倒角最大半径值为0.76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2-42.3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3-13.2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供选择，适合所有材料的加工。刀具参数：圆心直径D=6.35mm,切削刃长度L10=6.45mm,刀片厚度S=2.38mm,刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀片槽D1=0.110mm。主偏角=80°。（2）第二把刀是车椎柄的粗车刀，车底面时为精车刀，刀位号为T09，原本为切槽刀，这边当粗车刀使用因为它切削的余量比较多，而且工件还要进行二次装夹，第一次装夹是以精车端面及底面，第二次装夹是以粗车锥柄以及锥柄根部的底面。刀具的选择：该刀片的涂层是新的改良型PVDTIAIN涂层材料，带切削控制的刀片在切削中能顺畅地排屑，并为多向车削提供了良好的切削控制。刀具参数：刀宽W=5.00mm，刀尖宽度APmax=2.92mm，刀尖半径RR=0.32mm，刀尖长度T=6.35mm。刀尖偏角=3°。（3）第三把刀是车锥柄的精车刀，刀位号为T03，它分三次进刀，它的刀尖半径为R0.2mm，可以时加工出来的锥柄Ra值很小，大约在0.20μ左右。刀尖长度M=10.15mm，刀尖圆弧半径R=0.4mm。刀位刀柄加工的一个或几个关键特征可调刀补T01InsertholderDDJNR164D精车端面X,ZT09TOOLHOLDERNSL163D粗车椎柄、精车底面X,ZT03KM40S32GNVOCL16INSHolder精车椎柄X,Z表3-13.3.2切削用量的选择切削用量主要从三个方面进行选择:切削速度、进给速度、背吃刀量，即所谓的“切削三要素”。为了达到加工要求，我们在使用不同的刀时采用不同的切削用量。T01号刀对端面及部分底面进行精加工，为了达到低粗糙度的表面，因此主轴转速需要适当提高，进给速度适当降低，背吃刀量不宜太大，经过综合考虑，将主轴转速设置为3600r/min，进给速度为0.05mm/r，背吃刀量前两次为0.8mm，最后一刀为0.3mm。T09号刀对椎柄和椎柄根部的底面进行切削，对椎柄进行粗车，对底面进行精车。粗车椎柄时主轴为1800r/min，进给速度为0.076mm/r，背吃刀量为0.8,。当精车椎柄周围的底面时转速提高到3600r/mm，进给速度降低为0.05mm/r，背吃刀量为0.3mm。T03号刀时一把精车刀，主要是对椎柄进行精加工，由于椎柄的表面粗糙度为0.8～1.6μm，因此需要进行高转速低进给速度。主轴转速为4800r/min，进给速度0.03mm/r，背吃刀量为0.1mm。通过测试，以上的切削参数可以满足加工要求，具体参数可见附录B3.4加工顺序及走刀路线的确定加工顺序是先加工端面及底面，快接近椎柄根部时停止加工，即图2-2所示。大约精车循环三次左右。由图3-4可知走刀路线顺序为从点1开始车圆弧到点2，走直线到点3，点3到点4，点4经过一个圆弧到达点5，点5直线到点6，点6与椎柄根部留有一定的距离，如图2-2。即1→2→3→4→5→6。图3-4端面及底面走刀路线经过二次装夹后开始加工椎柄部分，加工时首先从椎柄顶部开始加工，一直加工到椎柄根部并且沿着底面向外加工一部分，从而使底面完全加工，底面部分区域重复加工，如图2-3所示。先是对椎柄进行粗车，到达底面时对底面进行精车，最终在换刀之后对椎柄进行精车，由于两次装夹具有误差，因此不可避免的会出现接刀痕。在加工椎柄时走到路线大概是A→B→C→D→E。如图3-5所示。图3-5椎柄走刀路线如图3-6所示的接刀面区域一，要做到越小越好，如果在实际加工中，接刀面经过调试后仍然有接刀产生，尽量把接刀调节到图纸尺寸的公差内，并且尽量把接刀调节到凹下去的状态。图3-6接刀面区域一如图3-7所示的接刀面区域二，产生的原因是二次装夹产生的，装夹时要做到夹具接触面紧贴卡爪，对于接刀面要做到越小越好，如果在实际加工中，接刀面经过调试后仍然有接刀产生，尽量把接刀调节到图纸尺寸的公差内，要对每一个零件进行外观检查，可以使用跳动表测量一下加工好的底面，跳动应该在0.05mm以内，粗糙度要求为Ra0.9～Ra1.6。图3-7接刀面区域二3.4加工工序卡的制作根据加工工艺要求完成工序卡，加工工序卡如下表3-2所示:表3-23.5数控程序的编写由3.4的走刀路线可知，先是对端面和底面进行车削，端面和底面属于同心，因此一起加工，其工件坐标原点位于端面的圆心，如图3-8所示：图3-8加工端面和底面时的工件坐标原点当完成底面和端面的车削后程序将暂停（N400处），然后将夹具旋转180°夹紧，开始进行椎柄部分的车削，加工椎柄时工件坐标原点位于椎柄上面圆心，如图3-9所示：图3-9加工椎柄部分是的工件坐标原点根据加工工艺卡完成数控程序的编写，数控程序详见附录C（端面、底面及椎柄的加工程序）

4加工圆弧部分工序设计及程序编制4.1机床的选择由于圆弧面的加工精度要求也很高，因此我们也是采用日本法兰克系统的森精机NL2000系列。机床的具体性能参数如表4-1。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4-1机床参数图4-14.2装夹定位方案在加工圆弧面时，需要对椎柄进行装夹，但是圆弧面中心与椎柄不重合，因此直接装夹椎柄则无法加工圆弧面，为此，基于上面的设计原理，我们也设计了类似的偏心夹具，如图4-2、4-3所示：图4-2加工圆弧面时夹具图图4-3加工圆弧面时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，为了保证圆弧面中心与主轴旋转中心线的一致性，此时应用跳动表测量外圆面，跳动应该在0.8～1.6mm以内，跳动超过此范围不能够加工，应通知关人员。图4-4实物图4.3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，而圆弧表面粗糙度，尺寸精度要求较高，而由于圆弧面的切削量较大,我们采用先粗车后精车的切削方式,因此在选择刀具时也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弧面部分的刀具性能以及切削用量。4.3.1刀具的选择由于圆弧面的切削量较大,我们采用先粗车后精车的切削方式,因此加工圆弧面需要两把刀,一把粗车刀，一把精车刀。（1）第一把刀是加工圆弧的粗车刀，刀位号为T04，它刀尖有段圆弧（可以减小Ra值）。在粗车整个圆弧面时，它要车两刀，两刀都是0.5mm。刀具的选择：从三要素可知，该刀片属于负涂层刀片是在中大型车床上对所有材料进行通用加工的首选，它为高金属切除率带来最佳经济效益。除此之外，有模铸型或周边经磨削的平板槽型和切削控制槽型也可供选择，适合所有材料的加工。刀具的参数是：圆心直径D=12.70mm，切削刃长度L10=15.50mm，刀片厚度S=4.76mm，刀尖圆弧半径R=0.8mm，刀片槽D1=5.16mm。主偏角=55°。（2）第二把刀是加工圆弧的精车刀，刀位号为T08，它就精车一刀，车削深度大约在0.5-1.0mm之间。刀具的选择：从三要素可知，该刀片属于正角刀片的仿形刀片，它是高产量仿形加工的首选，它独特的刀片加紧设计提供了非常好的刚性。同时备有模铸型或周边经磨削的两种切削控制槽可供选择，适合所有材料的加工。刀具的参数：圆心直径D=9.53mm,切削刃长度L10=16.61mm,刀片厚度S=4.76mm,刀尖长度M=9.23mm，刀尖圆弧半径R=0.8mm。主偏角=35°，副偏角=8°。刀位刀柄加工的一个或几个关键特征可调刀补T04InsertholderDDJNR164D粗车圆弧面X,ZT08InsertholderNVLCR163D精车圆弧面X,Z表3-14.3.2切削用量的选择切削用量主要从三个方面进行选择:切削速度、进给速度、背吃刀量，即所谓的“切削三要素”。为了达到加工要求，我们在使用不同的刀时采用不同的切削用量。（1）T04号刀对圆弧面进行粗加工，由于粗加工切削量较大，为了提高加工效率，因此在不损害刀具的前提下尽可能减少走到次数，因此我们粗加工进行两次走刀，第一次背吃刀量为0.5mm，第二次也是0.5mm，主轴转速为4800r/min，进给速度为3mm/min。（2）为了达到0.8～1.6的粗糙度要求，我们最后一刀选用精加工的方式。T08号刀对圆弧面进行最后一刀的精加工，背吃刀量为0.3mm，主轴转速4800r/min，进给速度为2mm/min。通过测试，以上的切削参数可以满足加工要求，具体参数可见附录B4.4加工顺序及走刀路线的确定加工顺序是从圆弧面的顶点开始进刀，将切割残留的圆柱头切除部分然后沿顺时针方向进行圆弧面的加工，走刀方式为仿形加工。先经过两次粗加工，然后最后一刀进行精加工。如图4-4所示，走刀路线为A→B→A→C→D。图4-4端面及底面走刀路线3.4加工工序卡的制作根据加工工艺要求完成工序卡，加工工序卡见表3-2：表3-2

3.5数控程序的编写当加工圆弧部分时，将椎柄夹住，通过专用夹具，使得圆弧面的中心位于旋转中心，其工件原点也位于圆弧面的中心，如图4-5所示：图4-5加工圆弧面时坐标原点根据加工工艺卡完成数控程序的编写，数控程序详见附录D(圆弧面的加工程序)

5肩关节产品制造流程简介肩关节产品制造的主要流程是：椎柄、端面及底面的车削→圆弧面部分的车削→圆柱头的切除→干喷砂→激光达标→手动研磨→清洗→手动抛光→清洗→包装。下面则是每一个制造流程的介绍：（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。（3）圆柱头的切除由于肩关节ECC产品的原材料有一个圆柱头，在加工圆弧面之前先要将圆弧面突出的圆柱头切除，这样才能有助于刀具对圆弧面端面的切削和延长刀具的寿命。经测量了解的锥柄端面到圆柱头端面的距离在36mm到37mm之间，但是我们只能切割22.35mm左右，留足够余量。切割时的主要注意事项：①要使用保护帽确保表面和锥柄在切割或装卸时没有损伤。②要进行预切留下痕迹，用投影仪和检测支架（量具号09101000）检测预切位置，以确保正确。（4）保护帽的使用由于椎柄的表面质量很重要，粗糙度很低，不能有任何划伤，因此零件加工后主要是圆锥面的保护。零件加工后要放置在相应的盒子里并且锥柄部分一定要用新的保护帽保护，保护帽为一次性使用，不能重复使用，锥柄上任何的碰伤或者划伤将会导致零件报废。如下图5-1所示。图5-1保护帽的使用（5）干喷砂零件加工完后需要对端面进行干喷砂，干喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂）高速喷射到被需处理工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获的一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。除此以外，干喷砂也是为下一步的激光打标做准备，此产品用的干喷砂机是中顺公司生产的机型为ZS-9200型手动喷砂机，它使用的材料砂为20GTWHITE251B。如下图4-6所示。图4-6干喷砂机图4-7喷砂前的端面图4-8喷砂后的端面注意事项：①喷砂时严格遵守操作流程，带好防护工具，如口罩、喷砂手套。②喷砂前要确认喷砂夹具与工件配合的紧密性，防止松动。（6）激光打标为了能够区分加工产品的类型和批号，我们使用激光达标机来标刻产品的批号和规格。以至于在发生产品召回等突发事件时能够快速找到相关信息和确保每一件产品有着自己第一无二的“身份证”。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行某一个部分进行照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。聚焦后的极细的激光光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，其先进性在于标记过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力，因此不会损坏被加工物品。该产品采用的激光打标机是罗芬新型多功能台式激光打标机EasyMark。如下图4-9所示。图4-9激光打标机图4-10打标后的产品夹具设计原理：由于激光打标的内容是以椎柄为中心，且激光是从固定位置向下照射，因此，要想激光打标内容的位置准确，就要求椎柄的位置绝对准确，如何让椎柄处于绝对位置是激光打标特制夹具设计的目的。（1）由于椎柄不在圆弧面中心，因此随着圆弧面的旋转会使椎柄的位置改变（椎柄位于圆弧面中心的话无论圆弧面怎么旋转，椎柄始终处于圆弧中心，相对位置不变），因此让椎柄与圆弧面中心所形成的直线的方向要固定，因此设计出“帽盖”，由于盖毛孔和椎柄一样是偏心，所以盖上后限制了盖帽相对椎柄的旋转，从而使得①、②处于固定位置，如图5-5所示。（2）椎柄与圆弧面中心所形成的直线的方向固定后，但是工件可以再X,Y平面内移动，这也让椎柄不能处在绝对位置，因此可以使用“定位销”来固定工件在X,Y上的位置，如图5-7所示。（3）椎柄的上下自由度要限制，这个主要由电脑程序来控制底板的高度，不同规格的产品程序是不一样的，因此高速也是不一样的。通过以上三点的限制，可以让椎柄处于一个绝对位置，即“0自由度”，这样，打标内容才能准确地打在产品上。图5-5图5-6图5-7装夹后图5-8打标后的工件（7）手动研磨研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工（如切削加工）。研磨可用于加工各种金属和非金属材料，加工的表面形状有平面，内、外圆柱面和圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿面及其他型面。加工精度可达IT5～01，表面粗糙度可达Ra0.63～0.01微米。研磨机的主要类型有圆盘式研磨机、转轴式研磨机和各种专用研磨机。本产品使用的研磨机为圆盘式，机型为SMARTSCAN。（8）手动抛光抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。通常以抛光轮作为抛光工具。抛光轮一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，两侧用金属圆板夹紧，其轮缘涂敷由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。本产品抛光所使用的抛光机如下图4-11所示。图4-11抛光机图4-12抛光夹具夹具设计原理：由于人工肩关节在抛光时将圆弧面与高速旋转的布伦或者砂轮接触打磨，会产生高温和高切削力，而且为了抛光均匀，必须在打磨的同事让圆弧面匀速旋转，因此需要使用特殊的可旋转的夹具进行装夹。设计原理：（1）夹具必须牢牢夹紧椎柄，防止在告诉旋转中产品“飞出”。（2）夹具必须可以旋转，这样才能一边打磨抛光圆弧面一边匀速旋转，确保受力均匀，抛光后的圆弧面才能光亮。夹具的锁紧方式主要是“螺圈”锁紧，锁紧时要使用扳手紧固。具体的装夹方式如图5-9所示：图5-9图5-10抛光后注意：在装夹前必须使用椎柄帽套住椎柄，防止椎柄损伤（9）在线清洗抛光后由于工件表面残留抛光液或抛光膏等化学物品，因此需要将其清洗干净，但是抛光后的工件表面光亮如镜，传统的清洗方式将会严重划伤表面，从而使抛光面的质量下降造成报废，因此需要采用超声波清洗。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。因此超声波广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波清洗机采用超声波清洗的原理，可以达到物件全面洁净的清洗效果，特别对深孔，盲孔，凹凸槽清洗是最理想的设备，不影响任何物件的材质及精度。此产品使用的是由港星方能公司生产的超声波清洗机进行清洗，它有三个水槽，一槽为清洗液，二槽为自来水，三槽为烘干。如下图4-13所示。图4-13超声波清洗机结论从毕业论文开始做到现在已经很长时间了，回顾这段时间，感觉很漫长，但当我写完后又很有成就感。其中的酸甜苦辣，只有亲身体会了才会有快感。转眼间三年的大学生活就这样的过去了，论文的完毕将意味着大学生活的结束，其实还真的有点依依不舍。在一开始选论文题目的时候我其实很茫然，都不知道选什么题材，更不知道怎么去写，但最后选择了我在XX公司公司实习期间做的这个产品的课题，虽然有很多的内容我们没有涉及过，但在师傅，老师，同学的帮助下，我逐步了解做这种产品的复杂性，有些操作很细小但却不是微不足道的。在写论文的时候也碰到过许多细小的问题，为了弄懂相关的知识，利用互联网丰富的资源找取答案，从中收获了很多。通过这次的毕业设计我的确应该说是学到了很多。这次的论文设计是一项重要的实践性教学环节，开拓我们的视野，增强专业意识，巩固和理解专业课程，使我们学会了收集信息和处理信息的能力，把零散的知识点进行综合和归纳的能力，并且培养了我们毅力和耐心。因为要想出一份好的论文光靠一定的专业知识是不够的，还需要仔细认真的工作态度。以前听说论文就望而生畏，亲身体会了才知道其中的乐趣。在老师及同学的帮助下我终于写完了论文。总之，这次的论文设计让我大开眼界，受益匪浅，非常感谢学校给了我这次机会，同时也非常感谢老师尽心竭力的指导！

致谢首先感谢陈雪芳老师对我毕业论文提出的宝贵建议和修改方案，一开始我的论文思路很乱，不知道怎么写，想到哪里写到哪里，没有条理性，不够清晰，没有终点，后来和老师的交流，在老师的知道和见一下我找到了方法，非常感谢。感谢10届苏职大沈聪学长（也是我的同事）对我论文的帮助，由于我写的产品是我目前所在公司（XX公司医疗器材有限公司）生产的一个产品，我对公司的很多东西，包括机床、夹具等详细性能不够了解，在写论文是带来很大不便，沈聪学长对我的耐心指导以及给我的参考意见帮助我顺利完成论文，非常感谢。感谢XX公司医疗器材有限公司给我机会成为XX公司的一员，在这里我学到了很多东西，提高了我的专业水平，非常感谢。感谢苏州职业大学提供的校园招聘会使我顺利进入XX公司公司以及学校对我大学三年的悉心栽培。非常感谢。

参考文献：[1]王爱民李起鸿,中华创伤杂志,2002年11月第18卷第11期[2]赵长旭，数控加工工艺.西安：电子科技大学出版社,2006.1[3]周昌志等，机械制造工艺学.重庆大学出版社，1994.10[4]中国行业研究网，2013-2015年中国人工关节行业发展现状分析附录A附录B机械加工工艺过程卡片产品型号GlobalEccHead零件图号DWG10001产品名称人工肩关节零件名称球头第1页共1页材料牌号钴珞合金毛坯种类铸件毛坯外形尺寸50mm每毛坯件数1每台件数1备注工序号工名序称工序内容车间工段设备工艺装备工时准终单件10车1.夹毛坯圆柱头，精车端面到￠43.33mm，底面到¢40.76mm，长度尺寸13.16±0.12mm，倒角半径控制R0.76mm。机加车间车数控车床三爪卡盘、专用夹具12夹具旋转180°，精车椎柄及其底面，椎柄锥度2.812°～2.854°椎柄底面直径9.375±0.025mm，椎柄底部倒角为R0.5mm机加车间车数控车床三爪卡盘、专用夹具120切割圆柱头将圆柱头切割，切割后的长度为17.12mm机加车间切割切割机30车粗精车圆弧面到SR21.99mm，粗糙度为0.1，倒角为R0.76mm机加车间车数控车床三爪卡盘、专用夹具240干喷砂对底面进行干喷砂干喷砂车间喷砂喷砂机专用夹具350激光打标在干喷砂后的底面进行激光打标激光打标机专用夹具460手动抛光对圆弧面进行抛光抛光车间抛光抛光机专用夹具570在线清洗对产品进行超声波清洗清洗室清洗超声波清洗机80检验检验图上各尺寸、表面是否划伤检验室三坐标检测仪、塑料卡尺、高度规90入库设计（日期）校对（日期）审核（日期）标准化（日期）会签（日期）标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期附录C椎柄、端面、底面加工程序：（程序号1001）%O0017(00603-0017REVE112844120)(1STOP.)(T09XOFFSET=0.3)G65P9221(CONFIRMPROGRAMDOWNLOADTODAY) /G10L2P1Z-225.2G54#500=44120IF[#500EQ44120]GOTO20N20(1128-44-120)#501=45.3136#502=31.1226#503=43.51#504=14.275#505=[#501+1.27]#506=[#501-2.1336]GOTO05N05(ROUGHO.D.) G28U0W0 G0G21GG50S1800 T0101 G0X[#501+1.27]Z-9.652 G96S60M3 M8 G1U-10.16F0.076 G0Z0.38 X22.86 G1X-1.585F0.076 G0X#505Z1.524 G0X[#501-10.16]Z-7.62 G1Z-9.703F0.11 X#506 G3X#501Z-10.77R1.067 G1Z-13.31 X#505 G0X76.2Z12.7M5 M9 G28U0W0 N200(ROUGHF"GRVINSIDELIPI.D.) G28U0W0 G0G21GG50S1800 T0909 IF[#500EQ44120]GOTO210N210(1128-44-120)G0X29.82Z2.921G96S60M3G1Z-10.16F0.76MZ-13.03F0.025G0Z-11.76X26.5G1Z-13.03F0.05G0U0.254Z-11.76X23.183G1Z-13.03G0U0.254Z1.27X[19.863+2.0]G1Z-13.03G0U0.254Z-8.433X43.297G1Z-9.83X33.607G2X32.703Z-10.22R0.46G3X31.58Z-12.809R20.4G3X[#502-0.127]Z-13.03R0.305GOTO250N250G1X[19.863+2.0]F0.076G0U1.524Z12.7M9M5G28U0W0N300(FINISHF"GRVINSIDEI.D.)G28U0W0G0G21GG50S1800T0909IF[#500EQ44120]GOTO310N310(1128-44-120)G0X43.297Z2.921G96S60M3G1Z-9.1948F0.3MZ-9.9568F0.05X33.734G2X32.83Z-10.345R0.457G3X31.709Z-12.936R20.3962G3X#502Z-13.157R0.3048G1X25.367GOTO350N350G0Z1.27 X[19.609+2.0] G1Z-12.7F0.13 Z-13.157F0.05 X#502G2X31.709Z-12.936R0.3048 G0Z-9.1948 X[#503-1.676] G1Z-9.957F0.05 G3X#503Z-10.8R0.838 G1Z-#504 G0U5.08M9 Z12.7 M5 G28U0W0 N400M00(TURNFIXTURE180DEGREES) N500(ROUGHF"GRVTAPER) G28U0W0 G0G21GG50S1500 T0910 G0X20.5Z2.921M01 G96Z1.27S60M3 M8 G4P1000 G1Z-10.16F0.76 G1Z-13.03F0.013 G0U0.254Z1.27 X17.28 G1Z-10.16F0.76 G1Z-13.03F0.03 G0U0.254Z1.27 X10.838 G1Z-13.03F0.03 G0U0.254Z0.38 G1X-0.406F0.05 X7.097 G3X9.025Z-0.536R0.965 G1X10.234Z-12.74 G2X10.843Z-13.03R0.305 G1U2.54 G0Z12.7M9 M5 G28U0W0 N600(FINISHF"GRVTAPER) G28U0W0 G0G21GG50S1500 T0910 G0X12.7Z2.921 G96Z0.254S60M3 M8 G4P1000 G1X-0.406F0.05 X6.97 G3X8.9Z-0.663R0.965 G1X10.107Z-12.868 G2X10.716Z-13.157R0.3 G1X[20.574+2.2] G0Z12.7M9 M5 G28U0W0 M01 N700 (FINISHTAPER) G28U0W0 G0G21GG50S1600 G97S400T0303M3 G0X12.7Z0.0M01 G96S225M3 M8 G4P1000 G1X-0.7925F0.05 X6.177 G3X8.49Z-1.1R1.158F0.1 N750G1X[9.713+#518]Z-13.157F[0.05+#519] U1.524 G0U0.254Z0.0 G1X-0.793F0.05 X[6.101+0.03]G3X[8.415+0.03]Z-1.1R1.158F0.1G1X[9.6084+#518+0.03]Z-13.157F[0.11+#519]U1.524G0U0.254Z0G1X-0.793F0.05X6.101 G3X8.415Z-1.1R1.158F0.1 N760G1X[9.6084+#518]Z-13.157F[0.11+#519] U1.524 U0.254W0.762F0.5MG0Z2.54M05 G28U0W0 M30 N777 #3000=161(SETPARTNUMBER) M30 N2000 #3000=159(INVALIDPART) M30 %附录D圆弧面加工程序：（程序号