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第 14 卷 - 2026 年 9 月刊
在无中心立式离心振动光饰机中对髋臼杯进行高性价比表面精加工——数字化控制，高精度加工
精磨及抛光前后的髋臼杯：在不影响任何尺寸公差的前提下，可稳定实现Ra≤0.05µm的表面粗糙度。
多达35个髋臼杯可安装在专用工件夹具上。毛坯工件嵌入适用于不同尺寸的专用嵌件中进行固定。
无中心立式离心振动光饰机采用安装于加工槽外侧的振动电机。结合专用工件夹具，可对髋臼杯杯状内腔几何结构实现理想的精加工。
目前，大多数供应商仍采用基于CNC的技术对髋臼杯内表面进行磨削和抛光。然而，采用立式离心振动光饰机结合专门开发的夹具进行振动光饰，如今已成为一种成本显著更低的解决方案。该工艺不仅成本更低，而且能够轻松、稳定地达到所要求的表面粗糙度指标。Rösler Oberflächentechnik开发了一套两道工序加工方案，可同时对多达35个髋臼杯进行加工。这一成果得益于专门设计的工件夹具。
用于“双活动度”系统的髋臼杯通常采用钴铬合金或钛合金制造。其制造工艺一般先经过铣削加工，再进行精磨或精车，以改善初始表面粗糙度。经过上述机械加工后，毛坯零件的表面粗糙度通常可达到Ra 1.0～0.6µm。然而，在植入人体之前，髋臼杯表面必须进一步提高光洁度，其最大表面粗糙度不得超过Ra 0.05µm。这不仅能够确保髋臼杯具有最佳功能，还能保证人体产生的润滑液能够充分覆盖其表面，并防止聚乙烯内衬与金属杯体之间产生不必要的摩擦。
挑战——内表面的磨削加工
对于这一精加工任务而言，真正的难点并非达到规定的表面粗糙度，而是待加工区域位于半球体内部的特殊位置。这种典型的“杯状结构”会使加工介质难以对内表面施加足够压力。如果工件在立式离心振动光饰机的加工槽内自由翻滚，加工介质虽然会充满工件内部空间，但真正有效的磨削仅发生在工件外表面，而内表面由于介质与工件之间缺乏充分的“摩擦作用”，加工效果十分有限。
针对这一特殊应用，Rösler凭借其数十年来在表面处理领域积累的丰富经验，特别是在振动光饰方面的深厚技术积累，以及自主工程设计与制造能力，成功解决了这一难题。
Rösler全球销售与工艺专家Michael Striebe表示：“髋臼杯是在无内穹顶的立式离心振动光饰机中完成加工的。这类设备最初是为航空航天工业开发的，用于在实现较高金属去除率的同时，对高价值、复杂零件进行温和加工。与传统立式离心振动光饰机相比，该设备的加工槽中央没有安装振动电机，而是在槽体外部配置两台振动电机。因此，加工槽中央留出了安装专用夹具的空间，配合独特设计的夹具内衬，可将髋臼杯牢固固定其中。”
通过夹紧工件，加工介质能够对工件内表面施加足够压力，从而使磨削和抛光过程更加高效。整个加工过程中采用专为医疗行业开发的塑料磨削介质以及干式抛光介质。由于磨削介质具有极为细腻的结构，在预磨阶段即可实现低于Ra 0.05µm的超低表面粗糙度。磨削介质均匀且细致的结构能够为最终抛光提供理想的基础表面，使最终表面粗糙度进一步降低至Ra 0.02µm或更低。
加工节拍则取决于髋臼杯所采用的基材以及毛坯工件的初始状态。
振动光饰——比机器人表面精加工更具成本优势的替代方案
采用机器人对髋臼杯进行磨削和抛光虽然速度较快，但针对每一种工件，都必须编写机器人运动程序、工艺控制程序以及磨削、抛光工具磨损补偿程序，因此整体成本十分高昂。机器人抛光过程中，每次只能抓取并夹持一个工件。此外，不同尺寸的工件均需要对应一套专门编写且精确定义的机器人程序。
与此同时，用户还必须面对抛光工具、刷具及其他专用工具的严重磨损问题。随着工具不断磨损，其金属去除率会持续发生变化，因此在规划机器人加工工艺时必须充分考虑这一因素。由于机器人始终执行相同的运动轨迹，本身无法自动补偿工具磨损。同样的问题也存在于人工最终抛光过程中。虽然人工抛光速度较快，但人工成本极高，而且由于操作人员难以始终保持一致的加工参数，加工质量容易出现波动。此外，如今具备此类磨削和抛光经验的技术人员也越来越难招聘。
相比之下，在无中心立式离心振动光饰机中完成工件装夹后，只需设定加工时间，其余工作均由设备自动完成。整个振动光饰过程无需操作人员持续干预，也无需额外的自动化设备，仅需使用合适的磨削介质、抛光介质、水和电力即可。
更重要的是，磨削介质的磨损不会对加工结果产生任何影响。唯一需要保证的是设备内加工介质的液位始终保持恒定。
Michael Striebe表示：“所有这些优势使加工质量更加稳定、可重复，同时还能获得更加均匀一致的表面组织。”作为Rösler全球销售与工艺专家，他在过去十年一直为医疗工程行业客户提供技术支持。
他进一步表示：“根据我的经验，振动光饰获得的表面组织更加细腻，整体质量更高。我们能够稳定地实现低于客户要求的表面粗糙度指标。根据毛坯工件初始表面粗糙度的不同，在不影响工件尺寸公差的前提下，甚至可以达到Ra 0.01µm的表面粗糙度。这种卓越的加工质量充分证明了振动光饰技术的高效性和优越性。”
数字化实现高效工艺控制，提高生产效率
医疗零部件，尤其是骨科植入物的表面精加工，不仅要求具备较高的成本效益，同时还必须严格满足规定的表面粗糙度和尺寸公差要求。
除了必须持续获得高度一致、高品质的加工结果之外，整个工艺流程还必须在设计、稳定性及重复性方面完全可复制，并具备完整的全过程记录能力。对于需要经过工艺验证及审计的生产流程而言，全面的工件监控和工艺监控是不可或缺的前提条件。
上述所有要求均可通过最新版Rösler数字化软件Smart Solutions Comfort(RSS)实现。
该数字化软件能够自动监测工艺用水水质，按照预设时间间隔自动采集水样，记录所有测量数据，并通过定量添加化学添加剂自动修正偏离设定值的情况，从而确保工艺用水始终保持稳定。
此外，该系统还能显著提升工艺重复性，从而保证工件始终保持稳定一致的加工质量。当系统检测到需要采取进一步措施时，会及时通知操作人员，并提供明确且可记录的处理建议。所有工艺调整均会自动记录，并可实现完整追溯。
面向未来的解决方案——专为医疗零部件打造
通过开发这种采用无中心立式离心振动光饰机的高效磨削和抛光工艺，Rösler为机器人加工和传统人工精加工提供了一种更加经济的替代方案。
由于人工抛光仅剩下将工件放入立式离心振动光饰机这一操作步骤，因此人工成本可降低70%～80%。
卓越的表面质量、完全可重复的加工结果，以及结合Rösler Smart Solutions(RSS)软件实现数字化工艺监控与控制的能力，使该工艺成为髋臼杯高精度表面精加工的理想解决方案。
Michael Striebe表示：“在开发这一新工艺时，我们深入研究了市场现有系统的各种‘痛点’，并据此对我们的解决方案进行了针对性优化。这之所以能够实现，是因为我们将设备制造、工艺开发，以及磨料和化学助剂(Compound)的研发与生产全部整合在公司内部完成。髋臼杯精加工的未来，将属于无中心立式离心振动光饰机。”
Rösler Oberflächentechnik GmbH
Vorstadt 1, 96190 Untermerzbach, Germany
Michael Striebe
电话：+49.9533.924-0
邮箱：m.striebe@rosler.com
www.rosler.com
