李 宏，喻步賢，鄭東旭，孫鐵波，劉奎武

LI Hong1, YU Bu-xian2, ZHENG Dong-xu1, SUN Tie-bo1, LIU Kui-wu1

（1.江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223000）

0 引言

帶線縫合針主要用于顯微外科、心、胸、血管外科、眼科及內(nèi)臟軟組織等縫合，由不銹鋼針體直接與縫合線銜接，針線一體。帶線縫合針尾部中心微小孔的加工，是縫合針加工中的難點。當(dāng)前，微小孔的加工方法有很多種，如鉆削加工、振動鉆削加工、電火花加工、電子束加工等。這些加工方法中，微小孔振動鉆削加工不僅適用于加工各種材料，且加工精度高、效率高而被廣泛適用1。另一方面，用激光加工、電火花加工、電子束加工出的帶線縫合針尾部微孔，由于縫合針金相組織的變化，在以后的縮孔中會產(chǎn)生脆裂，不能滿足縫合針后續(xù)加工的要求。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)醫(yī)療器械的廠家都是精密臺鉆上手工操作打孔，手工裝夾縫合針，手工控制鉆頭的進給量。傳統(tǒng)的鉆削由于鉆頭剛度低、易折斷、產(chǎn)量低，加工質(zhì)量無法保證，工人勞動強度大，遠不能適應(yīng)國內(nèi)外市場的需要。

1 鉆削加工縫合針帶線孔存在的主要問題

麻花鉆是鉆孔用的主要刀具，由柄部、頸部（由于制造因素，微小麻花鉆鉆頭一般不含有頸部）和工作部分（包括導(dǎo)向部分和切削部分）組成。柄部是鉆頭的夾持部分，用來傳遞扭矩。導(dǎo)向部分帶有螺旋槽，用來輸入切削液和排出切屑。螺旋槽的外緣為螺旋棱邊，具有導(dǎo)向作用，同時也減小鉆頭與孔壁之間的摩擦。在切削過程中，導(dǎo)向部分引導(dǎo)鉆頭保持正確的鉆削方向，而且是鉆頭的備磨部分。切削部分包括主切削刃和橫刃。

利用高速鉆床加工縫合針帶線孔（微小孔）時，鉆床主軸高速旋轉(zhuǎn)，鉆夾頭夾持的微小麻花鉆鉆頭進行切削加工，其加工原理與傳統(tǒng)的鉆削加工基本一致?？p合針放于工作臺夾具上，鉆頭通過鉆夾頭裝在主軸上，主軸旋轉(zhuǎn)形成鉆孔的主運動，手動實現(xiàn)進給運動。

鉆削加工是切削條件最惡劣的加工方法之一，而縫合針帶線孔作為微小孔加工更是集中了鉆削加工的全部難點。其中最突出的難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 微細鉆頭剛度低，定位精度差

工作時，微細鉆頭的受力模型可近似為圓柱形懸臂梁，其鉆尖處的等效彎曲剛度與直徑的四次方成正比，與懸伸長度的三次方成反比。因此，隨直徑的減小和長徑比的增加，鉆頭剛度急劇下降，由于剛度太低，鉆尖在鉆入時極易產(chǎn)生偏移，嚴(yán)重地影響了鉆入定位精度，造成加工的孔壁不均勻。

1.2 微細鉆頭易折斷

為了提高剛度和方便制造，微細鉆頭通常無棱邊和倒錐，從而形成副后角為0°的寬大副后刀面和0°副偏角，加重了刀具的負荷，增大了擴孔量。當(dāng)切屑嵌入到后刀面與孔壁之間時，切削力急劇增大，甚至使鉆頭折斷。

1.3 出口毛刺多

為了彌補微細鉆頭剛度的不足，其鉆芯厚度比一般鉆頭相對較大，這導(dǎo)致橫刃寬、螺旋槽淺。螺旋槽越淺，則容屑能力越差，排屑越困難，更容易造成切屑堵塞、鉆頭折斷。橫刃越寬，則軸向切削力就越大，出口毛刺也就越嚴(yán)重。

實踐表明，用傳統(tǒng)的鉆削方式在材料為3Cr13的縫合針上加工帶線孔，由于鉆削時鉆頭剛度低、容易折斷，難以保證孔的軸線與縫合針的軸線同軸度，易產(chǎn)生損傷、毛刺、撕裂、褶皺等，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量。

2 振動鉆削在縫合針帶線孔加工中的應(yīng)用

振動鉆削是建立在振動理論和切削理論基礎(chǔ)上的鉆削加工新方法，屬于振動切削的一個分支。振動鉆削的振動方式有三種：振動方向與鉆頭軸線方向相同的軸向振動、振動方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相同的扭轉(zhuǎn)振動和軸向振動與扭轉(zhuǎn)振動迭加起來獲得的復(fù)合振動。

軸向振動鉆削加工技術(shù)是將鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削和軸向振動兩種運動形式相結(jié)合的一種新穎的鉆削方法，從根本上改變了鉆削機理，使普通鉆削的連續(xù)切削過程轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)的脈沖式切削過程，可顯著提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率，是振動鉆削中占主要地位的振動方式。當(dāng)振動參數(shù)（振動頻率和振幅）、進給量和主軸轉(zhuǎn)速等選擇合理時，能夠明顯提高鉆入定位精度、孔的表面粗糙度、尺寸精度和圓度，降低出口毛刺、切削力以及切削溫度，延長了鉆頭的壽命。

由于軸向振動通過激振裝置易于實現(xiàn)，并且實踐證明其工藝效果明顯。這里，我們采用軸向振動鉆削來加工縫合針帶線孔。

3 加工帶線縫合針的軸向振動鉆削裝置設(shè)計

某醫(yī)療器械有限公司帶線縫合針尾部帶線微孔設(shè)計要求如下：“帶線縫合針”為針型圓柱體，工件材料：3Cr13。加工孔徑直徑尺寸：mm，打孔孔深2.0—2.5mm ，要求零件加工后孔的軸線與針的軸線應(yīng)同軸，外形美觀、無損傷、撕裂、褶皺，產(chǎn)品合格率99%。

設(shè)計的基本思路：在現(xiàn)有精密臺鉆手工打孔的基礎(chǔ)上，采用高頻軸向振動鉆削取代傳統(tǒng)的普通鉆削加工微小孔。在鉆孔的過程中通過振動裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生有規(guī)律的、可控的相對運動，使切削用量中的切削速度或進給量、吃刀深度按某種規(guī)律變化，實現(xiàn)“打中心孔——鉆孔”一次完成。

軸向振動鉆削裝置主要是由超聲波發(fā)生器、壓電陶瓷換能器、軸向振動變幅桿和工具系統(tǒng)組成。其工作原理為：超聲波發(fā)生器11將220V，50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成高頻電振蕩信號，以向系統(tǒng)提供振動能量，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的勵振和勵磁電流通過碳刷9傳到導(dǎo)電環(huán)3上，再通過釬焊在導(dǎo)電環(huán)上的導(dǎo)線傳遞到壓電陶瓷換能器5上，換能器將高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，此機械振動經(jīng)軸向振動變幅桿6將振幅放大后有效地傳遞給工具系統(tǒng)7（鉆夾頭）、8（鉆頭），這樣只須將振動裝置通過刀柄1直接裝在精密臺鉆的主軸上就可進行超聲軸向振動鉆孔了。其中導(dǎo)電環(huán)3和絕緣塊4通過螺栓2法蘭式連接在刀柄1上，并與刀柄同步高速旋轉(zhuǎn)。變幅桿6與刀柄1的連接是通過螺釘法蘭式連接。該裝置與主軸的連接為莫氏錐孔連接，如圖 1 所示。

在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（引電裝置）的研制方面借鑒了電機的碳刷——集流環(huán)結(jié)構(gòu)，并改進原設(shè)計，可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)碳刷在集流環(huán)上壓力的大小，既可以彌補由于碳刷磨損引起的壓力變化，又可以防止放電現(xiàn)象，從而實現(xiàn)了超聲能量從超聲波發(fā)生器到旋轉(zhuǎn)聲振系統(tǒng)的可靠傳輸。

4 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果研究表明，在工件材料為3Cr13 ，加工孔徑直徑尺寸：mm ，打孔孔深2.0—2.5mm，鉆頭在加工時轉(zhuǎn)速為12000r/min，進給量1μm/r，振動鉆削可以改善微小孔鉆削的工藝效果。

一般認為，出口毛刺與軸向力有關(guān)，軸向力越大，出口毛刺也越大。普通鉆削時，橫刃不停地擠壓孔底材料，使其變形很大。對于不銹鋼這種塑性大、粘附力強的材料，主刃上容易堆積切屑，使主刃變鈍，進一步增大鉆頭受力。振動鉆削時，軸向振動的分離和沖擊作用降低了橫刃的擠壓作用，減小了孔底材料的變形。同時，振動鉆削能夠降低軸向力，因而有效地減小了毛刺。

圖1 超聲振動鉆削裝配示意圖

試驗中發(fā)現(xiàn)，由于普通鉆削時存在打滑現(xiàn)象，鉆頭往往偏離期望鉆孔點，不但影響孔的位置精度，也影響了孔的形狀和尺寸精度，使入口處呈現(xiàn)橢圓狀。而更重要的是，由于孔變?yōu)樾笨?，鉆得越深，鉆頭彎曲越大，相當(dāng)于給鉆頭附加了一個疲勞應(yīng)力，增加了折斷的可能；而振動鉆削由于是脈沖式楔入，其鉆尖橫向振動的固有頻率遠遠高于軸向振動頻率，其過程是入鉆, 偏移, 退回,復(fù)位—再入鉆，在反復(fù)的進退中不斷地修正上一步產(chǎn)生的入鉆誤差，因而能夠提高入鉆精度和保證孔的精度，減少了鉆頭折斷現(xiàn)象的發(fā)生。

用此種裝置不需要改變孔加工機床的結(jié)構(gòu)，把改裝指直接安裝在機床主軸上即可進行小孔振動切削，易于推廣使用，特別是給大批量零部件生產(chǎn)中的小孔的加工提供了一種高效、簡便和價廉的工藝裝置。在某醫(yī)療器械有限公司的主要產(chǎn)品——“帶線縫合針”孔的加工中，在鉆帶線縫合針尾部中心微小孔的孔心偏移量、孔擴量、出口毛刺和加工質(zhì)量等方面與普通鉆削對比，證明以上各項指標(biāo)均高于普通鉆削，且工藝過程比較穩(wěn)定，有效的解決切削溫度高、散熱難、鉆頭易引偏、折斷、入鉆定心難、斷屑困難、排屑不暢以及出口毛刺多等缺點。實現(xiàn)了改善勞動條件，減輕勞動強度，保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，延長鉆頭壽命6-8倍的設(shè)計要求。

[1]唐英, 王紅續(xù), 崔華盛.基于PC機的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化.2008, (12).

[2]王陳向,孫麗華,馬玉平, 韓興言,聶丹.超聲軸向振動鉆削機構(gòu)的設(shè)計與研究[J].制造技術(shù)與機床.2010, (6).

[3]葉玉剛.振動鉆削技術(shù)在深小微孔加工中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù).2009, (3).

[4]崔華勝.基于有限元法的微小孔振動鉆削過程切削力分析[D].北京科技大學(xué).2007.3

[5]張云電.夾心式壓電換能器及其應(yīng)用[M].北京∶ 科學(xué)出版社, 2006.

[6]林玉書.超聲換能器的原理及設(shè)計[M].北京∶ 科學(xué)出版社, 2004.