文|卡卡
编辑|卡卡
《——【·引言·】——》
本研究调查了用单一切割法切断和闸门拆除过程的能力。
磨料水射流切割、激光切割、电放电加工和等离子体切割被认为是当前系统的替代品，定制的投资铸件用于AWJC实验，以确定钴铬钼合金的切割厚度范围内的切割速度，股骨和托盘铸件与不同的设计，评估后敲除。
综述
该项目旨在推进最先进的投资铸造工艺，在后铸加工中创造和开发创新的改进机会，从而降低单位制造成本。
制造成本的降低使植入物能够以较低的价格提供给医院，从而减少了手术的主要管理费用之一，并使患者能够更多地获得骨科手术，缩短交货时间提高了公司按时向客户提供植入物的能力，从而为患者提供更有效的服务。
骨科植入物最常用的合金是钴铬钼、钛和不锈钢，全膝关节置换术的净形状金属部件可以通过投资铸造或锻造来制造，在科克的投资铸造铸造厂每周生产多达13000个股骨和胫骨CoCrMo铸件。
股骨组件被设计为交叉韧带保留或交叉牺牲，胫骨组件可以有一个固定的轴承或旋转平台，后者提供了内外侧方向的活动范围。
根据所需的骨固定方法，种植体可以是骨水泥的或非骨水泥的，每一种产品通常都是以不同的尺寸来生产的，由于这些组合有超过200个不同的产品代码，铸造过程需要足够灵活，以适应产品设计和铸造树变化的大规模生产。
投资铸造工艺概述
多个蜡图案被注入并组装到一个运行系统，形成一个树，在蜡树的周围有一个陶瓷壳，蜡被移除，形成一个中空的陶瓷模具，熔融的合金倒入模具中形成铸造树，后铸件操作包括陶瓷去除、切断和整理，然后检查零件是否有缺陷，并根据可能进行修复。
本研究的重点是后铸处理。
蜡、壳和铸件配置的工艺变化会对铸件后精加工要求产生重大影响，为了建议能够适应未来流程变化的流程改进，理解前面的流程是至关重要的，后铸过程也会对后续的加工操作产生影响，了解现有流程与总流程相关的需求是很重要的。
注蜡和装配
蜡图案固体模型是创建与考虑蜡收缩，门是包括在蜡图案上的附加部分，它允许这些部分被组装到蜡树上，并且是金属流入外壳的入口，闸门的尺寸和形状根据产品的类型和尺寸而有所不同，栅极的几何形状会影响铸造质量，并在引入新模具时确定。
铝蜡模具是基于蜡样模型为每个新产品进行机械加工的计算机数控，无缺陷蜡熔化并在恒温下连续混合，蜡被注入到模具中，形成一个图案，蜡的加速、填充压力、保持压力和保持时间是控制模具填充和凝固的关键因素。
凝固和冷却过程中的蜡收缩是最终铸件尺寸的一个重要因素，注蜡过程中最常见的缺陷是模具填充过程中产生的气泡和流动线，在蜡模阶段出现的缺陷贯穿于金属铸件之中，确保只有无缺陷的蜡图案通过铸造过程比修复金属组件中的缺陷更具成本效益。
溶铸法
外壳形成后，树被倒过来去蜡，蜡在高压和高温高压釜中融化，树的设计必须包括允许蜡通过重力流出壳的路径，脱蜡后留在壳中的蜡在燃烧过程中被烧掉，偶尔会有一些蜡被困在模具中，任何残留物都可能导致铸造过程中的内含物。
外壳在炉中加热几个小时，以烧结陶瓷，并准备浇注，CoCrMo合金在感应炉中熔化，一旦合金达到所需的温度，将燃烧的外壳从烘炉中取出，并倒入熔融的合金，浇注速度必须足够快，以确保在合金凝固前都被填满，但足够慢，以防止合金过度溢出。
一个部分填充的树切断非常困难，因为固定是有问题的，而且更不安全，特别是对于磨砂操作，浇注后，铸造的树迅速凝固，冷却几个小时，然后进行任何处理，让壳变得脆弱，当被敲倒时很容易从树上掉下来，材料性能影响AWJC期间磨粒的磨损速率。
胫骨铸件的切断和研磨的选择
减少机器占用的空间，允许额外的机器购买，以增加容量，通过改变平面研磨机的托盘机器人研磨系统，可以减少占用时间和循环时间。
这些零件将被装入安装在工作台上的固定装置中，由砂轮移动来加工这些零件，每个托盘都被机器人捡起，并带到机器人后面的研磨带上，使用数控磨削加工中心将减少移动时间。
减小栅极尺寸也会减少达到规格所需规格的研磨量，从而增加研磨带/轮寿命，降低消耗品成本，减小闸门尺寸会导致尺寸变化和铸造缺陷，如非填充的风险。
磨轮切断和磨盘的自动化系统可以减少交货时间和直接劳动要求，尽管存在许多挑战，包括拆卸后脱壳、铸造变化、零件公差和资本成本。
胫骨托盘只需要在一个平面上切割，饰面为平面，磨轮切断不太可能达到当前的磨后公差，这主要是因为车轮一次切割成多个部分，在切割过程中，设置一个零件的车轮对准会损坏相邻零件，导致车轮相对于树木的错位，或固定装置中的树木不稳定导致报废零件。
如果改变了切割路径或使用了较小的车轮，每个部件都可以单独切割，但是车轮和零件的对准很可能仍然是一个问题，由于直径的快速减小，一个较小的车轮将必须更频繁地更换。
零件在切割前可以被机器人夹在对面，切割后转移到磨削，由于敲除后的陶瓷残留，研磨会非常脏，这可能会导致机器维护问题，通过磨料轰击去除壳体并不会去除托盘内孔中的所有陶瓷。
这些部分隐藏的区域也很难达到水爆破，需要在切断后进行进一步的处理，如现有的轮磨机操作，在这种情况下，需要一个视觉辅助的机器人拾取系统在研磨前固定零件，一种能够抓住多个部件的机械臂可以一次切割和磨削多个部件。
转盘磨床机可能适用于此目的，可以减少周期时间和带改变频率，从而增加容量，在截止前抓住多个部件可能是有益的，但在截止后选择多个部件将是非常困难、昂贵和耗时的。
股骨铸件的切断和研磨的替代方法
与胫骨铸件一样，自动磨轮切磨系统将大大减少前置时间和直接劳动要求，但是股骨有额外的薄片，使应用比托盘更复杂。
关键的挑战包括视觉系统的整合、零件几何形状、铸造变化、固定、敲除后去除陶瓷、刀具进入切割路径、表面质量、机器容量、占地面积和资本成本，如果在切除薄片之前切断股骨部分，则需要一个视觉辅助拾取系统。
股骨部件需要在切断前取壳，以便将部件固定在适当的位置，从而增加成本和开发时间，还需要设计一套新的固定装置。
替代切割工艺及消磨
如果通过一个精确的切割过程可以切断零件，则有机会消除磨削，股骨产品有较薄的添加物以及相对较厚的初级铸造门，目前在研磨阶段被去除，消除磨削的主要好处是缩短提前期、减少劳动力、提高人体工程学和提高产能。
CTS的发作已被证明与暴露于手持工具的振动和重复的手腕运动显著相关，CTS的症状包括拇指和手指的麻木和刺痛，它是由腕部神经压迫引起的，治疗需要小手术切断腕横韧带，为了实现消除磨削的人体工程学好处，需要在切断阶段去除薄片，并且该过程必须实现自动化。
切割操作要求
需要采用替代工艺来切割不同几何形状和厚度的CoCrMo，由于流道系统的去除发生在完全耐火材料去除之前，一个坚固的切割工艺应该能够处理一些剩余的陶瓷材料，一个拆壳系统可以与切割系统集成。
根据产品的类型和尺寸，要切割的厚度范围从2到30毫米不等，股骨铸件具有薄和厚的部分需要拆除，胫骨托盘切片的几何形状不同，约为20毫米厚。
薄片可以打磨，直到与零件齐平，打磨后，薄片的高度应齐平或距离零件表面0.8 mm以内，仅根据视觉标准进行评估，研磨后的表面光洁度相对均匀，表面粗糙度约为5 μm。
为了尽量减少固定和视觉系统的复杂性，在固定树时，应将其从各部分中移除薄片，然后这些部分就可以从树中分离出来，以这种方式移除薄片依赖于一个精确的机器视觉系统。
如果在薄片切割之前从树上取出零件，就需要一个取壳步骤，以及一个额外的机器人视觉系统来取出零件进行研磨，视觉系统应能够在生产环境中可靠运行，机器因外壳残留产生灰尘/碎片，因此应适当封闭并安装适当的提取系统。
环境、健康和安全因素至关重要，业务需求需要适当的运行和采购成本，总占地面积是一个重要的考虑，因为铸造后期区域的空间有限。
切割系统的选择
在浏览广泛的文献后，回顾各种替代截止操作铸造生物医学组件，AWJC选择实验评估加工能力广泛的材料相对较高的去除率，例如10毫米厚钛切割550毫米/分钟，几乎没有工件热影响区。
这个过程能够同时切割金属和陶瓷，相比之下，激光切割的性能高度依赖于激光-材料的相互作用，一般不适合用于陶瓷材料。
在敲除后留下的陶瓷涂层都必须在激光切割前被去除，激光切割的其他技术挑战包括由于相对较大的切割头而进入有限的切割区域，圆形厚门会导致熔体井喷的高变异性，使精确定位困难，由于横截面积恒定，更容易控制熔体井喷。
结论
AWJC是一种潜在的可行的替代方案，以切断和研磨股骨铸件，该过程能够切割位于铸件顶部的陶瓷，并仍然以合理的速度切割金属，AWJC目前不适合于胫骨托盘铸件，因为喷流磨损了切割区域下面的铸件。
需要进一步的研究来开发一个视觉系统来与AWJC系统的接口，视觉系统需要识别铸造树上单个部分的位置，它需要能够区分陶瓷残留物和铸件组件。
参考文献
1.便携式磨料水射流系统切割X60钢的试验研究. 陈晓晨;邓松圣;郭联欢;张滕飞.机床与液压,2016
2.自振脉冲磨料水射流切割性能影响因素及矿用安全性分析. 王晖;何学秋;聂百胜;李海龙.矿业研究与开发,2012
3.切割技术手册[M]. 梁桂芳主编.机械工业出版社.1997
4.高压水射流割缝技术在金能煤矿的研究与应用. 曹金岁.西安科技大学,2018
5.矿用磨料水射流切割机的关键部件设计与研究[J]. 郑礼成.煤矿机电,2022(04)
6.新型混合磨料方式下磨料水射流切割中粒砂岩试验研究[J]. 张志刚;袁瑞甫;姚远航;陈立峰;秦博.河南理工大学学报(自然科学版),2022(03)