切割难以切割的医疗级金属

寂静回声

超强金属可以使喷气发动机旋转更快，使潜水艇潜得更深入，使核电厂的操作更安全，也是当前大多数拯救生命的植入物和医疗仪器的极佳选择。像钛和钴铬合金这种耐热超合金（HRSA）构成了大部分医疗用的骨螺钉、销、融合器和关节置换物；而316L以及其它不锈钢尤其镍和铬则构成一些在外科手术室中常见的套管针、剪刀和止血钳。
这些强韧的金属不仅生物相容、耐疲劳、耐磨，还非常硬。虽然这些属性使得它们适用于人体，但是在制造加工方面依然存在各种障碍，包括在加工期间不良和不可预测的刀具寿命。 在切割钛和其它医疗级材料时，选择锋利的正前角切削刀具和刀片是第一准则，但这也需要刀具拥有正确的混合碳化物、涂层和边缘加工才可以在加工HRSA 时存活下来。
冷却和清洁
在加工钛和其它耐热超合金（HRSA）时，我们不能忽视切削液的作用。当前，大多数医疗用户对零件清洁度和潜在污染敏感，许多机械加工厂很容易将切削液视为理所当然。当使用水溶性或合成切削液时，浮油必须持续消除油脂，进行细菌处理，并且根据制造商的建议维持PH水平。每个机床都应该有自己的过滤系统，能够将金属细粉和污染物去除到低至5μm至10μm范围内。如果这样做成本太高的话，那至少每月要实行严格维护程序，使用冷却液回收机或等效系统清洁机器池和处理切削液。
许多制造商倾向使用纯油减少麻烦，当然也有一部分直接使用合成的。而通常最受欢迎的是水基乳液，具有高水平的极压（EP）化合物，混合至12％至15％的浓度。但是这并不意味着没有更好的切割液了。尽管大多数加工厂都希望能够避免尝试不同切削液所带来的工作量和费用，但考虑到其中的利害关系就知道高质量且维护良好的切削液是非常重要的。
虽然这对加工厂来说是一个很好的建议，但对于加工HRSA 所面临的挑战来说是不够的。因此还有另一个建议搭配干净的切削液共同实行：如果你的机床有一个通用泵，用一个能够达到1,000psi或更大的替换掉原来的那个。对于可预测的HRSA加工过程，碎片控制与排出是至关重要的。高压液体可润滑切削工具，冲掉切屑，并去除切削区域的热量。如果没有它，根本不可能完成HRSA加工。此外，大型铣刀和多插入式钻头可能也会需要额外的液体和更高的压力，因此在订购系统之前，一定要对泵的压力和输出进行分析。
大量的选择
针对精加工操作，山特维克可乐满推荐使用PVD涂层硬质合金，如1105——多相TiAlN涂层涂覆在坚硬耐磨的基材上，能够抵抗凹坑和磨损，同时保留有效加工所需的尖锐切削。重型粗加工或断续切削操作则可能需要更强硬的等级——PVD涂层的1115，未涂层H13A或CVD 涂层的2025。以上这几种都能够很好地抵抗加工难加工材料时常见的机械冲击。
使用专为此类型工作设计的粗加工端铣刀有利于挖槽和开槽操作。与大多数机械师熟悉的老式玉米棒粗磨机相比，许多硬质合金粗加工刀具是以不同的螺距和螺旋角度进行磨削，以消除在重型加工负载下导致颤振的谐波。同时，特制的容屑槽可防止在切割强硬医疗材料时常见的边缘碎屑。尽管这些刀具的价格乍一看非常高昂，但是投资高品质刀具是加工HRSA所必要的。
另一个HRSA切割工具的选项可能会让一些行业专家感到惊讶。氧化铝和氮化硅基切削工具以极高的硬度和耐磨性而闻名，长期以来一直是汽车工业大批量加工灰铸铁的首选。但是，这些切削工具对于超级合金来说太易碎。然而，在该材料中添加了碳化硅晶须后便使之成为加工镍基材料是理想选项，即使是在重粗加工条件下。例如，氮化硅铝（SiAlON）能以大于碳化物20倍至30倍的速度切割钴铬和类似的超级金属。然而，必须要用轻进给速度，通常小于0.0039英寸/齿（0.1mm/齿）。并且，由于氮化硅铝氧的属性，推荐使用圆形刀片。此外，陶瓷必须在没有切削液的情况下操作，并且由于两种材料之间的化学反应性而不能用于切割钛。
坚持计划
以上这些都是很好的起动建议，但不幸的是，没有一个通用的硬质合金级或切削刀具适合于全范围的HRSA加工。加工厂可以通过与知识渊博和经验丰富的应用专家合作来精细调整工艺流程从而显著提高生产效率——有足够的硬质合金牌号和刀具几何，可以覆盖整个车间的材料和工艺。这里的目标应该是研发一个可预测的刀具策略，而不是最大限度地延长刀具寿命或零件产量。更好的方法是在刀具失效之前更换刀具，否则有可能刮掉昂贵的工件，或者损坏更昂贵的机床。
山特维克可乐满球头立铣刀CoroMill 216，是粗加工和半精加工仿形切削金属去除器，球头立铣刀是坚固的立铣刀，用于在模具、航空航天、汽车和相关工业中，在加工中心、CNC铣床和仿形铣床上进行曲面粗加工和半精加工。该铣刀具备最高可靠性和安全性、高金属去除率且操作方便。
对任何新材料、切割机或机床始终坚持做切割测试，以确定基线进给速率、主轴速度和切割深度。这看起来像是浪费机器时间，但是这些努力是值得的，并且有助于最大限度地延长工具寿命以及避免零件报废。开始时要遵循切削刀具制造商的建议，但不要害怕打破规则——如果某个刀片牌号应该在300SFM至600SFM之间运行， 切屑载荷在钛中是0.005ipr到0.008ipr，而你的工具寿命很好且可以保持可预测的结果，那就继续提升一个档次。向极限推进是在竞争激烈的加工环境中领先的最佳方式。
在医疗设备中所使用的大多数金属被称为耐热超合金（HRSA）。由于这些强韧的材料具备高强度、硬度和耐腐蚀性，以及甚至在高温下依然可保持这些性能，因此被广泛应用于医疗工业。这些生物相容的金属不可以引起人体的免疫反应或随着时间渐长将有害矿物质渗入患者体内。对于永久性植入物来说，金属也应显示出骨结合的倾向，这意味着它们将逐渐与周围的骨组织和结缔组织融合，并且不会松动，因此也不再需要在几年后进行外科手术更换。

寂静回声

黄金在许多起搏器中起着至关重要的作用。如果没有铂金，要通过血管引导支架将变得更加困难。辐射透不过的钯标记带帮助技术人员在X射线透视中定位，由铂- 铱合金制成的电极用于刺激帕金森氏病和癫痫患者的脑组织。

由于成本很高，它们所组成的部件通常很小，测量直径一般仅为千分之几英寸。这些微小组件有许多是在瑞士式螺杆机上生产的，而其它则是通过铣削、冷成型、冲压或EDM制造而成。所有的这些材料都属于称为贵金属。与大多数金属不同，这些金属在潮湿环境下耐氧化和腐蚀，甚至可以耐弱酸，因此成为了许多体外医疗应用的理想解决方案。铂和金也是非常导电的，并且广泛用于除颤器和其它电刺激装置中。
贵金属通常是软而粘的，如果试图通过车床心轴进给金条是很困难的。为了提供用于加工的足够刚性，医疗组件制造商经常在开始时使用大于所需的棒料，从而在某些情况下导致了90％或更大的报废率。然而，加工操作导致的切屑易于回收、熔化并再加工成新材料。
医疗组件的小尺寸只会使事情更糟。例如，在车床操作中，要维持推荐切割速度的话就需要非常高的主轴转数，而这一目标通常由于材料的精细性质和大多数机床转数限制的原因而难以实现。
由于这些金属是粘性的，多晶金刚石（PCD）切削刀具是理想的选择，可阻止工件材料粘附到切削工具的表面。但是PCD的成本很高，通常是碳化物刀具的6到10倍，这对本身材料就已经昂贵的加工来说没有起到帮助作用。
钴铬
植入物材料中挑大梁的材料是钴铬（CoCr）合金，这种材料可以通过热处理（45HRC 至50HRC）而变硬。钴铬合金具有耐磨耐腐蚀性质，强度大，因此成为膝盖和髋关节置换、牙种植体、骨板和其它等等必须承受重负荷的植入体的理想解决方案。
钴铬钼（CoCrMo）可以铸造成各种复杂的形状，然后根据需要最终加工成所需尺寸——在髋关节置换术中，股骨柄固定在大腿骨中的部分是铸态形式，相对端则加工至可接纳由钴铬或陶瓷制成的球。
该关节球的外表面制成浑圆和和高度抛光以符合搭配的髋臼杯，该髋臼杯通常衬有高密度聚乙烯（HDPE）以提供滑动表面，但有时也会使用陶瓷或甚至全金属制成。有些医疗制造商选择不同类型的钴铬合金，如钴镍铬钼（CoNiCrMo）。镍铬钼易于热锻成同样复杂的形状，使其具有细晶粒结构，从而适用于重负荷部件，如臀部和膝盖。

这两种合金的冶金组合物分别通过ASTM 国际标准ASTM F75-12和ASTM F562-13的明确规定。制造商针对这些重要金属开发出特有的版本，对其进行微调以改善机械性能和可加工性。例如，United Titanium生产的UT35N是一种可提供高强度和耐腐蚀性的钴镍铬钼。Carpenter Metals 提供的BioDur CCM Plus高温合金是一种具有类似于钴镍铬钼的可锻性和强度特性的钴铬钼，但镍含量较少。
钛
一些患者可能会对钴或铬敏感，对于这些患者，只有钛植入物才是可行的选择。纯钛具有低变应原性，与少量铝和钒（Ti-6Al-4V）合金化时，它会呈现出接近钴铬的屈服强度和拉伸强度。然而，钛的抗剪切性较差，因此可能不适合于非常重或运动型的患者。尽管如此，许多外科医生因为钛的强大生物相容性，认为医疗级Ti-6Al-4V和更高纯度的Ti-6Al-4V ELI（超低间质）是膝关节和肩关节置换、脊椎笼、骨螺钉、心血管设备和其它可植入部件的理想选择。
商业纯（CP）钛可分为1到4级，它被认为是所有钛中最人类友好的，但是不如合金钛那样坚固，并且对于承重性的医疗植入物限制使用。商业纯钛通常用于制造牙齿假体，例如牙冠和牙桥，然后出于美观原因会用陶瓷涂覆牙冠。它还用于纤维金属，这是一种可结合到植入物表面以改善骨整合的多孔材料。与钴铬合金一样，为了改善钛的机械性能或减轻医疗工业中对各种钛合金元素潜在细胞毒性的忧虑，开发商开发出一系列钛合金。例如，Ti-6Al-7Nb包含7％的铌，这使其比Ti-6Al-4V具有更大的拉伸强度，并且消除了一些医生对其长期植入期间钒离子可能渗透到人体中的担忧。
ß钛合金Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF）中含有钼、锆和铁，专为矫形而设计。它不含铝和钒，因此生物相容性更高。另外两种生物医学ß钛合金Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr（TNTZ）和Ti-35Nb-7Zr-5Ta（TNZT）都具有高强度和无毒性能，同时还具有类似于人骨的弹性模量，可减少植入物和周围骨头之间的应力。
不锈钢
由于腐蚀问题，不锈钢并不广泛应用于长期植入物中。但是，304和尤其是316L不锈钢却和其它如18Cr-2Ni-12Mn和21Cr-6Ni-9Mn较新的材料广泛应用于医疗领域。手术器械、U形钉、导管、注射器、喷嘴和线缆等需要可靠、节省成本且易于消毒的材料；而低碳、高镍铬含量的不锈钢则非常符合以上条件。另外，加工和制造不锈钢也更加容易。
患者安全始终是任何医疗设备或者植入物要考虑的首要因素，而其次则是制造成本。制造业每个领域都有自己的挑战，但医疗加工是其中最困难的之一。医疗领域的零件复杂，要求严格，材料的挑战性大。只有了解这些材料以及机床和刀具的极限才能达到成功。无论使用哪种材料，都需要多种切削刀具牌号和几何形状，以及对加工工序进行大量微调。