基于SurfMill软件的骨科接骨板加工的研究与实践

摘 "要：通过对L字形骨科接骨板进行工艺分析，采用SurfMill软件进行软件编程，进行了虚拟仿真加工和实际加工，验证了加工工艺和SurfMill软件的相应模块，证明了工艺方案的可行性和国产SurfMill软件的可靠性，为骨科接骨板加工制造提供一种新方案。

关键词：骨科接骨板；五轴定向；工艺分析；SurfMill软件；虚拟加工技术

中图分类号：TH162 """""""文献标志码：A

Research and practice of orthopedic plate processing based on SurfMill software

LIU Yanshen1，3，WANG Shuai2，3

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi， China；

2. Xian Jingdiao Precision Mechanical Engineering Co.， Ltd， Xian 710000， Shaanxi， China；

3. Precision Processing Technology Ramp;D Center of Shaanxi Polytechnic Institute，

Xianyang 712000， Shaanxi， China）

Abstract： By analyzing the process of Lshaped orthopedic plate and using SurfMill software for software programming， the process and SurfMill software were verified by virtual simulation processing and actual processing， which proved the feasibility of the process plan and the reliability of the domestic SurfMill software.

Key words： orthopedic plate; five axis orientation; analysis on technological processes; SurfMill software; virtual machining technology

0 "引 "言

骨科接骨板是带孔板状骨折内固定器件，临床上常与骨螺钉或者接骨丝配合用于治疗骨折，分为普通接骨板和加压接骨板两类，根据不同用途可制成条形、Y字形、L字形、T字形等。钛合金接骨板优于接骨钢板，且可长久保留，因此多为Ti6AI4V钛合金材质。接骨板结构特征复杂，曲面和孔槽特征较多，对加工精度及表面粗糙度要求高。

骨科接骨板如何完成加工是关键，L字形接骨板（图1）加工主要采用五轴定位加工方式完成，需要借助CAM软件才能实现［1］。SurfMill软件是中国机床行业头部企业——北京精雕科技集团有限公司自行研发的一款CAM软件［2］。

1 "工艺分析

工艺分析是编写加工程序前的必备工作，需要充分了解加工要求和工艺特点［3］，合理规划工艺路线和编写加工程序。该工件的加工要求和工艺特点如图2所示。

1.1 "编程加工方案

由于接骨板是异形工件，因此在加工编程前先给接骨板增加足够强度的辅助支撑，后续再将辅助支撑与接骨板连接的地方通过刀具逐层切削，使接骨板从辅助支撑上脱落［4］。

最终加工方案为：采用SurfMill软件，通过五轴定位加工、曲面投影、钻孔、轮廓切割等加工方法分别对所需加工的各部位进行加工编程［5］，如图4所示。

机床设备：产品精度要求较高，且结构特征复杂，需要完成正反曲面及多个孔的加工，考虑选择全闭环五轴机床。该产品尺寸为157.2mm×17.6mm×37.5mm（厚度为3.2mm），毛坯尺寸160mm×20mm×45mm，配合工装夹具，整体尺寸偏大，所选机床的回转工作台的回转直径最好在300mm以上；该产品为难加工钛合金材料，为提高加工效率和产品质量，所用机床的主轴扭矩最好在150N·m及以上。

加工刀具：钛合金属为难加工材料，硬度较高，加工过程中容易发生粘刀，因此必须选择刚性强的刀具。产品边角及孔特征较多，刀具需要进行避空处理［6］。

1.2 "加工工艺

为保证机床加工的高效率，基于SurfMill软件设计了包含23个工步的加工工艺。加工工艺设计受限于机床选择、加工刀具、模型特点、加工要求、环境等诸多因素，因此工艺卡提供的切削参数仅供参考，实际加工时可根据实际加工的具体情况重新设定切削参数［7］。

1.3 "装夹方案

产品加工位置为整个接骨板，可装夹整块毛坯料进行加工，故采用专用夹具加螺钉固定方式装夹［8］，如图5所示，对毛坯表面光刀后，以毛坯表面为基准进行加工，夹具与台面用螺钉拉紧方式固定，可快速进行批量生产。

2 "基于SurfMill软件进行编程

2.1 "编程加工准备

编制刀路前需要在软件中进行一些必要的准备工作。创建虚拟制造环境，具体内容包括：机床设置、创建刀具表、创建几何体、几何体安装设置等。机床选择5轴机床“JDGR400_A15SH”，选择机床输入文件格式为“JD650 NC（As Eng650）”。刀具创建按照前面工艺表中所列刀具依次进行添加。几何体的设置分为3个部分：工件设置、毛坯设置和夹具设置。工件有些部位需要倒角处理，部分倒角生成过程中如果选“几何体”作为加工域几何体，由于保护面的影响，生成路径存在多处连刀和打折现象，需要建立一个“空几何体”，用作倒角路径的生成。在最后工序中需要进行落料，因此还需建立一个加工面只有工件图层的几何体，毛坯和夹具设置保持和几何体设置一样，将几何体重命名为“落料几何体”，用于落料加工几何体的选用。最后完成几何体安装即可，若自动摆放后安装位置不正确，可以通过原点平移、绕轴旋转方式进行调整。

2.2 "编写加工程序

接骨板加工包含了开粗、曲面精加工、钻孔、倒角等工序，根据不同的特征采用不同的加工方法［9］。加工方法多为五轴定位加工，需要建立多个局部坐标系、辅助面和辅助线。局部坐标系的作用是在编程过程中控制加工刀路的刀轴方向，实现定向加工，因此每个需要定向加工的特征均需要设置局部坐标系。

由于来料毛坯尺寸误差较大，需要对毛坯进行修整，可选择2.5轴中单线切割、轮廓切割等加工方法对毛坯进行预处理。

基于改变刀轴方向后，实现五轴定向加工，因此该模型加工过程中零件的各个特征主要都是三轴加工方式完成，加工方式在SurfMill软件有多种选择，按照工艺表中所列加工方法即可完成刀路编制［10］。编程中部分需要注意的内容如下。

2.2.1 "开粗

产品整体弯曲程度大，一次开粗不到位，因此需要在俯视、前视、后视3个方位进行开粗，采用三轴分层区域粗加工方法［11］，每个方向开粗一定要选好加工域，尽量避免重合，导致生成过多空刀路，影响加工效率。

2.2.2 "前、背面精加工

接骨板前面较平坦，采用平行截线加工方法；侧面为圆弧曲面，为保证前后曲面刀纹一致性，表面粗糙度符合要求，采用五轴曲面投影精加工；接骨板背面特征为后面曲面和耳朵曲面，均较为平坦，采用平行截线加工方法［12］。前、背面精加工的4个加工域如图6所示。

（a） 接骨板前面精加工加工域

（b） 接骨板侧面精加工加工域

（c） 背面精加工加工域

（d） 耳朵曲面精加工加工域

2.2.3 "钻孔加工

接骨板前面孔、槽特征较多，各孔轴线不平行，此处采用多轴定位加工的方法［13］，通过改变刀轴方向可以安全、高效地完成孔加工。

2.2.4 "前方槽加工及倒角加工

前方槽为镂空结构，槽轮廓可使用2.5轴单线切割方法［14］。倒角加工方式较多，可以选择倒角刀或者合适直径的球头刀利用等高外形加工方法、曲面流线加工、导动加工等方式完成刀具轨迹编制。

2.2.5 "模拟和输出

完成程序编写工作后，需要对刀具轨迹进行模拟仿真［15］，保证程序在实际加工中的安全性，具体使用的机床最好与编程准备过程中所选机床是一致的，才能保证模拟正确后在机床上也能正确加工。点击功能区中的“刀具路径”，选择“机床模拟”命令进入机床模拟功能，调节模拟速度后［16］，点击模拟控制台的“模拟开始”按钮开始进行机床模拟，如图7所示。模拟无误后即可按照顺序后置处理生成各个工步的加工程序。

2.2.6 "程序输出

模拟加工无误，通过软件的后处理器生成加工程序，后处理器和机床一定要匹配。由于程序太长，只截取了一部分加工程序，如图8所示。

2.2.7 "机床加工验证

将做好的刀路转化为加工程序传输到JDGR400_A15SH机床上进行加工验证，为了更好地展示加强筋与底座连接情况，未进行落料加工工步，加工结果如图9所示。

3 "总 "结

（1） 接骨板孔位多，加工精度高，工件装夹要保证刚性，还要保证加工效率，需要一次性装夹加工所有特征。

（2） 接骨板在加工的过程容易变形，本文采用3个加强筋与底座连接，保证了加工过程中工件的刚性，避免了工件因刀具切削力而产生变形。

（3） 接骨板特征繁多，多采用多轴定位加工，要加工到各个部位，就需要使用局部坐标系，在SurfMill软件中应用了大量的局部坐标系，这是SurfMill软件多轴定位加工的一个特点，有些CAM软件不需要设置局部坐标系就可以实现五轴定向加工时改变刀轴方向。SurfMill软件中设置的局部坐标系只是起到改变加工过程中刀轴方向的作用，并不是用于加工的工件坐标系，在编程的过程中应注意局部坐标系的管理。

（4） 模拟加工可以理解为采用了数字孪生技术，因此模拟加工所用的机床、夹具、装夹方式等一定要与实际加工时一致，确保模拟加工安全正确后，在实际加工中也是安全正确的。

（5） 通过对L字形接骨板编制加工工艺，在SurfMill软件中编制刀路和程序，并在机床上进行了加工验证，达到了要求，为接骨板加工提供了一种新方案。

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基金项目：2023年度陕西高等职业教育教学改革研究项目：数字化精密制造领域校企合作典型生产实践项目建设与实践研究（编号：23GY009）。

作者简介：刘艳申，副教授，高级技师，主要从事数字化精密加工方面的研究。

（1.陕西工业职业技术学院，陕西 "咸阳 "712000；2.西安精雕精密机械工程有限公司，陕西 "西安 "710000；3.陕西工业职业技术学院精密加工技术研发中心 "陕西 "咸阳 "712000）