ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΜΟΤΗΤΑ ΛΙΑΝ ΥΨΗΛΗΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΟΥ ΙΣΧΙΟΥ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Δ. Ε. ΜΑΝΩΛΑΚΟΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΜΟΤΗΤΑ ΛΙΑΝ ΥΨΗΛΗΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΟΥ ΙΣΧΙΟΥ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Ι. ΓΑΛΑΝΗΣ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. ΑΘΗΝΑ 2011

2 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ 1. Καθηγητής Δ. Ε. Μανωλάκος (Επιβλέπων) 2. Καθηγητής Α. Γ. Μάμαλης (μέλος της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής) 3. Καθηγητής Π. Ν. Σουκάκος (μέλος της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής) ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ 1. Καθηγητής Δ. Ε. Μανωλάκος (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών) 2. Καθηγητής Χ. Παναγόπουλος (Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών Μηχανικών) 3. Καθηγητής Χ. Προβατίδης (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών) 4. Αν. Καθηγητής Γ.-Χ. Βοσνιάκος (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών) 5. Αν. Καθηγητής Α. Β. Ζούμπος (Ιατρική Σχολή Αθηνών, ΕΚΠΑ) 6. Αν. Καθηγητής Σ. Κουρκουλής (Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.) 7. Επικ. Καθηγητής Λ. Ζουμπουλάκης (Σχολή Χημικών Μηχανικών) Η έγκριση της Διδακτορικής Διατριβής από την Ανώτατη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέα. (Ν 5343/1932, Άρθρο 202)

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ SUMMARY ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΛΙΑΝ ΥΨΗΛΗΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή 1.2 Κατεργασίες υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας Η κατεργασία της τόρνευσης Σχηματισμός αποβλίττου 1.4 Κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων κοπής Μηχανικές παράμετροι Κοπτικά εργαλεία Καρβίδια Σκληρομέταλλα Επικαλύψεις Κεραμικές επικαλύψεις Κυβικός Βόριο Νιτρίτης (CBN) 1.5 Δυνάμεις στην τόρνευση Πρότυπο της λοξής κοπής Η ημιεμπειρική μέθοδος Kienzle Γραμμικό μοντέλο δυνάμεων Μοντέλο για υπολογισμό των δυνάμεων σε κατεργασίες υψηλών ταχυτητων 1.6 Τραχύτητα επιφάνειας.. Βιβλιογραφία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΟΥ ΙΣΧΙΟΥ 2.1 Εισαγωγή 2.2 Υλικά για κατασκευή μηριαίων προσθέσεων. i iii vi viii ix xvi

4 2.2.1 Βασικές ιδιότητες βιουλικών Κόπωση Μεταβίβαση τάσεων Αντοχή στη διάβρωση Βιοσυμβατότητα Μεταλλικά υλικά Πολυμερή υλικά Κεραμικά υλικά Αλουμίνα (Al 2 O 3 ) Ζιρκονία (ZrO 2 ) Oxinium Υδροξυαπατίτης 2.3 Προβλήματα εμφυτευμάτων ισχίου Φθορά εμφυτευμάτων Αντοχή εμφυτευμάτων Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΩΝ ΙΣΧΙΟΥ 3.1 Εισαγωγή 3.2 Κατεργασία μεταλλικών μηριαίων κεφαλών 3.3 Κατεργασία κεραμικών μηριαίων κεφαλών Πειραματική διαδικασία Παράμετροι κατεργασίας των μεταλλικών εμφυτευμάτων Μέτρηση Δυνάμεων Ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία Παράμετροι κατεργασίας των κεραμικών εμφυτευμάτων. 3.5 Αποτελέσματα και σχολιασμός Αριθμητικά αποτελέσματα Αποτελέσματα προσομοίωσης Σχολιασμός αποτελεσμάτων... Βιβλιογραφία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΛΟΥΠΙΟΥ ΜΗΡΙΑΙΟΥ ΠΡΟΘΕΜΑΤΟΣ 4.1 Εισαγωγή

5 4.2 Κατεργασία γλυπτών επιφανειών μητρών και καλουπιών Μοναδική Κατεργασία Κοπής (UMO) Τοπολογία Διαδρομής Εργαλείου και στρατηγική φρεζαρίσματος Κατεργασία κοπής με εργαλεία σφαιρικής απόληξης Δημιουργία διαδρομής εργαλείου Σχεδιασμός Προθέματος Καλουπιού Προγραμματισμός κατεργασίας και Εξαγωγή του Κώδικα G της μηχανής Διαδικασία εκχόνδρισης Διαδικασία αποπεράτωσης 4.4 Κατεργασία Καλουπιού Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΩΝ 5.1 Εισαγωγή 5.2 Τραχύτητα εμφυτευμάτων μετά από κατεργασία υψηλών ταχυτήτων 5.3 Μέτρηση τραχύτητας εμφυτευμάτων. 5.4 Τραχύτητα μεταλλικών κεφαλών Αποτελέσματα μετρήσεων και αξιολόγηση Μοντέλο δεύτερης τάξης Μοντέλο πρώτης τάξης Διαστατική ακρίβεια μεταλλικών κεφαλών Τραχύτητα κεραμικών κεφαλών. 5.7 Τραχύτητα επιφανείας καλουπιού Διαστατική ακρίβεια καλουπιού.. Βιβλιογραφία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΜΗΡΙΑΙΩΝ ΚΕΦΑΛΩΝ 6.1 Εισαγωγή 6.2 Περιγραφή στατικού έλεγχου μέσω των προτύπων Πεπερασμένα στοιχεία στη μελέτη του τεχνητού ισχίου Γενική περιγραφή της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων

6 6.4 Κατασκευή μοντέλου στο πακέτο πεπερασμένων στοιχείων LS DYNA Αναλυτική περιγραφή του LS-DYNA και του femb Elements Περιγραφή των υλικών Επίδραση τριβής Φόρτιση μοντέλου Στάδιο ανάλυσης (analysis) και αποτελέσματα προσομοιώσεων Πειραματική διαδικασία Λογισμικό πρόγραμμα BLUEHILL Περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας. 6.6 Συνοπτικά αποτελέσματα πειραματικής και αριθμητικής διαδικασίας.. Βιβλιογραφία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 7.1 Εισαγωγή. 7.2 Κατεργασία εμφυτευμάτων ισχίου Κατεργασία καλουπιού μηριαίου προθέματος 7.4 Έλεγχος ακρίβειας εμφυτευμάτων ισχίου Έλεγχος στατικής αντοχής μηριαίων κεφαλών.. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

7 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι κατεργασίες αποβολής υλικού υψηλής ακριβείας έχουν προκαλέσει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας, κυρίως λόγω του αυξημένου ενδιαφέροντος που υπάρχει από την πλευρά της βιομηχανίας, αλλά και επειδή αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο νέο επιστημονικό πεδίο. Παράλληλα η τεχνολογική ανάπτυξη των εργαλειομηχανών και η βελτιστοποίησή τους, έχει καταστήσει τις κατεργασίες αυτές εφικτές σε ένα φάσμα προϊόντων, όπως καλούπια, εξαρτήματα αεροσκαφών, ιατρικών εμφυτευμάτων κ.α. καθώς επίσης και η χρήση υψηλών ταχυτήτων κοπής κατά την κατεργασία, κάτι που προσδίδει εκτός από ακρίβεια και πολύ καλό αποτέλεσμα στην ποιότητα της επιφάνειας μετά το τέλος της κατεργασίας. Σχετικά με τα προϊόντα της κατασκευής, ένα από τα σημαντικότερα που αναφέρθηκε και πιο πάνω, είναι τα ιατρικά τεχνητά βιολογικά εμφυτεύματα. Τα συγκεκριμένα και ιδιαίτερα του ισχίου, θεωρούνται μεγαλύτερη ανακάλυψη των τελευταίων δεκαετιών, μιας και μπορούν να θεραπεύσουν πάσχουσες αρθρώσεις ασθενών, οι οποίες είτε έχουν καταπονηθεί λόγω της ηλικίας ή λόγω ασθενειών, πχ. οστεοπόρωση, είτε έχουν καταστραφεί λόγω ατυχήματος, κάτι πολύ συχνό τα τελευταία χρόνια και ιδιαίτερα στη χώρα μας, και να δώσουν την ικανότητα στους ανθρώπους αυτούς να περπατήσουν και να μπορούν να εκτελούν τις διάφορες εργασίες τους ανεξάρτητοι κα χωρίς εξωτερική βοήθεια. Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Κατεργασίες λίαν υψηλής ακριβείας τεχνητών βιολογικών εμφυτευμάτων ισχίου» εκπονήθηκε στον Τομέα Τεχνολογίας των Κατεργασιών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου και στοχεύει στη μελέτη κατεργασιών αποβολής υλικού, που χρησιμοποιούνται στις κατεργασίες υψηλής ακριβείας, των εμφυτευμάτων ισχίου μέσω πειραματικών, υπολογιστικών τεχνικών και αριθμητικών προσομοιώσεων με τη βοήθεια πακέτων πεπερασμένων στοιχείων. Στα κεφάλαια της διατριβής μπορεί κανείς να βρει μια αρκετά εκτεταμένη θεωρητική ανάλυση των κατεργασιών ακριβείας και των κατεργασιών υψηλών ταχυτήτων, που λαμβάνει υπόψη τις κρατούσες θεωρίες γύρω από τα θέματα αυτά, καθώς επίσης και των υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των εμφυτευμάτων ισχίου. Παράλληλα έχει γίνει μια εμπεριστατωμένη μελέτη μέσω πειραματικών διαδικασιών για την κατασκευή τόσο των κεφαλών ισχίου από μεταλλικά και κεραμικά υλικά, αλλά και την κατασκευή εργαλείου σφυρηλάτησης για τη κατεργασία του προθέματος ισχίου. Τα i

8 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή αποτελέσματα των πειραμάτων εξετάστηκαν και συγκριθήκαν τόσο με αποτελέσματα προσομοιώσεων, όσο και με αποτελέσματα από μοντέλα υπολογισμού δυνάμεων που αναπτύχθηκαν για το σκοπό αυτό. Τέλος, παρουσιάζεται ο έλεγχος των εμφυτευμάτων τόσο από άποψη διαστατικής ακρίβειας και τραχύτητας, με βάση την οποία εξάγεται και ένα δεύτερο μοντέλο για τον υπολογισμό της, αλλά και από τη σκοπιά της στατικής αντοχής των εμφυτευμάτων πάντα ακολουθώντας τις επιταγές των αυστηρών προδιαγραφών των διεθνών προτύπων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όλα τα παραπάνω υποστηρίζονται από 160 διαφορετικές παραπομπές, που αποτελούνται από δημοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά, συνέδρια, βιβλία, εγχειρίδια, διατριβές και δικτυακούς τόπους, χωρισμένες κατά κεφάλαιο, οι οποίες καλύπτουν όλο το φάσμα των θεμάτων που πραγματεύεται η διατριβή. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα μου, Καθηγητή Δ. Ε. Μανωλάκο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε με την ανάθεση του ενδιαφέροντος θέματος της διδακτορικής διατριβής και για τη συνεργασία που είχαμε μέχρι την περάτωσή της. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω στον Ακαδημαϊκό Καθηγητή Α. Γ. Μάμαλη και τον Ομότιμο Καθηγητή Π. Ν. Σουκάκο, μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, για τις ουσιαστικές παρατηρήσεις και επισημάνσεις τους, καθώς και τη συνεχή συμπαράσταση του σε όλο το διάστημα της διατριβής. Θα ήθελα επίσης να δώσω θερμές ευχαριστίες στους ανθρώπους με τους οποίους συνεργάστηκα στον Τομέα Τεχνολογίας των Κατεργασιών, κατά τα χρόνια που εκπόνησα τη διδακτορική μου διατριβή, και ιδιαίτερα τους Δρ. Α. Μαρκόπουλο, Π. Κωστάζο, Α. Βορτσέλα, Σ. Γεωργιόπουλο και Γ. Κούζιλο, καθώς και το τεχνικό προσωπικό του εργαστηρίου για την άριστη καθημερινή συνεργασία. Τέλος, σε προσωπικό επίπεδο θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την ηθική και υλική συμβολή και υποστήριξη σε όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. ii

9 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει σκοπό την παρουσίαση και τη μελέτη της κατεργασίας εμφυτευμάτων ισχίου, καθώς και εργαλείων για την κατασκευή αυτών με βάση τις κατεργασίες λίαν υψηλής ακριβείας και συγκεκριμένα κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων. Η εργασία χωρίζεται σε εφτά κεφάλαια, όπου σε κάθε ένα αναπτύσσεται ένα σημαντικό θεωρητικό, πειραματικό ή υπολογιστικό κομμάτι με βάση το παραπάνω θέμα. Στο πρώτο κεφάλαιο εξετάζονται οι κατεργασίες με αφαίρεση υλικού, ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της βιομηχανικής παραγωγικής διεργασίας. Δίνεται έμφαση στις κατεργασίες υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας και συγκεκριμένα για την τόρνευση υψηλών ταχυτήτων. Επιπλέον, παρουσιάζεται όλη η τεχνογνωσία πάνω στις κατεργασίες αυτές, και ότι έχει να κάνει με την επιλογή των συνθηκών κατεργασίας και τα κοπτικά εργαλεία. Τέλος παρουσιάζονται διάφορα μοντέλα υπολογισμού των δυνάμεων για την τόρνευση και ποια από αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των δυνάμεων σε υψηλές ταχύτητες, καθώς επίσης και την αποτελεσματικότητα της κατεργασίας αυτής με βάση την τελική ποιότητα επιφάνειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα εμφυτεύματα ισχίου, τόσο οι κεφαλές, όσο και τα προθέματα ισχίου, τα κοτυλιαία προθέματα και τα κυπέλλια. Γενικά γίνεται ένας χωρισμός των υλικών σε μεταλλικά, κεραμικά και πολυμερή και παρουσιάζονται οι γενικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητές τους. Τέλος γίνεται μια παρουσίαση των προβλημάτων και των αστοχιών που εμφανίζονται στα εμφυτεύματα, λόγω των φορτίσεων και της φθοράς τους κατά το βάδισμα του ασθενή. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η κατεργασία των μηριαίων κεφαλών, τόσο μεταλλικών όσο και κεραμικών, τις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη, καθώς και οι παράγοντες εκείνοι που λαμβάνουν χώρα κατά τη διεργασία και επηρεάζουν την επιτυχή ή όχι έκβαση της μεθόδου, όπως πχ. οι δυνάμεις κοπής. Η κατεργασία τους πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο σε τόρνο ψηφιακά καθοδηγούμενο με υψηλές ταχύτητες κοπής και κίνηση ακριβείας στους δυο άξονες. Οι συγκεκριμένες μετρήθηκαν, κατά τη διάρκεια κατεργασίας των μεταλλικών κεφαλών, και συγκρίνονται τόσο με υπολογιστικά iii

10 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή μοντέλα, που παρουσιάστηκαν στο πρώτο κεφάλαιο, όσο και με τα αποτελέσματα από πακέτα πεπερασμένων στοιχείων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατεργασία ενός καλουπιού κατασκευής μηριαίου προθέματος. Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα προθέματα είναι κράματα τιτανίου, τα οποία είναι δυσκολοκατεργάσιμα με κατεργασίες κοπής, για αυτό και κατασκευάζονται με τη βοήθεια θερμής σφυρηλασίας. Μια τέτοια μήτρα, κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο κέντρο κατεργασίας του εργαστηρίου. Επειδή τα προθέματα είναι κατασκευές, με πολύπλοκο σχήμα, άκρως καθορισμένο από τα διεθνή πρότυπα, που αποτελείται από μια σειρά καμπύλων, θεωρούνται ως γλυπτές επιφάνειες. Στο παρόν κεφάλαιο, θα παρουσιαστεί ο σχεδιασμός του καλουπιού, ο καθορισμός και προγραμματισμός της κατεργασίας στο κέντρο κατεργασίας και τέλος η ίδια η κατεργασία του καλουπιού. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθόδος ελέγχου της ακρίβειας των εμφυτευμάτων. Γενικά τα εμφυτεύματα υπόκεινται σε αυστηρή τυποποίηση, με βάση τα διεθνή πρότυπα, τόσο από άποψη κατασκευής όσο και από άποψη ελέγχου. Όσον αφορά στο δεύτερο, έχει να κάνει με δυο πράγματα, την ακρίβεια της κατασκευής που αφορά στις διαστάσεις και την ποιότητα της επιφάνεια και το δεύτερο στην αντοχή τους τόσο σε στατική όσο και δυναμική φόρτιση. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού, είναι να μελετηθεί η ακρίβεια των εμφυτευμάτων που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο, μεταλλικά και κεραμικά, και θα γίνει μια προσπάθεια να εξαχθούν αριθμητικά μοντέλα, που να περιγράφουν την ποιότητα επιφάνειας σε σχέση με τις παραμέτρους κατεργασίας. Επιπλέον θα γίνει και παρουσίαση της ακρίβειας κατασκευής του καλουπιού μιας και παίζει σημαντικότατο ρόλο στην κατασκευή του προθέματος ισχίου. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο έλεγχος στατικής αντοχής των μηριαίων κεφαλών εμφυτευμάτων ισχίου. Εκτός από τον διαστατικό έλεγχο και τον έλεγχο της επιφανειακής τραχύτητας, θα πρέπει τα εμφυτεύματα να περνούν και μια σειρά από ελέγχους αντοχής, μιας και η καταπόνησή τους στο ανθρώπινο σώμα κατά το περπάτημα είναι σημαντική και μερικές φορές, ανάλογα με το είδος της κίνησης το φορτίο φτάνει την εικοσαπλάσια τιμή του βάρους του ασθενούς. Για το λόγο αυτό μια σειρά από ελέγχους, τόσο στατικούς όσο και δυναμικούς, έχουν θεσπιστεί με βάση τα διεθνή πρότυπα για την αντοχή των εμφυτευμάτων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν μόνο οι στατικοί, τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά με τη iv

11 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου χρήση πακέτου πεπερασμένων στοιχείων, για την καλύτερη συσχέτιση και σύγκριση των τιμών. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση των ολικών συμπερασμάτων της εργασίας από την πειραματική και υπολογιστική μελέτη της κατασκευής των εμφυτευμάτων και του ελέγχου τους, τόσο στην αντοχή τους όσο και στην ακρίβειά τους. v

12 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή SUMMARY The present thesis has the aim of presentation and research of the manufacturing of hip joint implant and also tools for their construction, through precision and ultra precision manufacturing and specifically high speed machining. The thesis is devided in seven chapters, each one of them has a specific theoretical, experimental or numerical important part, based on above topic. In the first chapter, it is examined the manufacturing with material removal, a basic and important aspect of the manufacturing process in industry. It emphasizes in precision and ultra precision manufacturing and particular, in high speed manufacturing. Additionally, it is presented the technology in all these processes, and everything that has to do with the better selection of cutting parameters and cutting tools. Finally, a number of models for the calculation of forces is presented, in turning and each of them can be used for the calculation of forces in high speed machining and also, the effectiveness of this process, based on the final surface s quality. In the second chapter, there are presented the materials from which hip joint implants are manufactured, not only femoral heads but also stems, acetabular cups and acetabular implants. Generally, there is a division of materials in metallic, ceramic and polymeric, where their general mechanical and natural properties are presented. Finally, there is a presentation of all the problems and the failures that can be occurred in implants, thus of stresses acted on them and their wear during the walking of the patient. The third chapter presents the way that the femoral heads are manufactured, not only for metallic, but also for ceramic ones, the cutting parameters that must be taken into consideration and also the factors that affect the process and play a tremendous role for its success, like cutting forces. Their manufacture took place in the CNC lathe of the laboratory, which can rotate each spindle up to rpm and move its axis with accuracy of 0.1μm. The cutting forces were measured during the process of manufacturing of metallic heads, and the results were compared to numerical results from calculating models, that have been presented in first chapter and also with the results of finite elements analysis. In the fourth chapter it is presented the designing and manufacturing of a die for the construction of a stem. The materials that the stems are manufactured by are vi

13 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου titanium alloys, which are difficult to be machined with cutting processes and for this reason are manufactured with hot bulking. A bulking die, was manufactured in the field of the present Thesis in a CNC machining centre. Whereas, stems are parts with complex shape, special defined by the International Standards, which are consisted of a number of curves, they are considered as sculptured surfaces. In the fifth chapter there are presented the methods of checking the accuracy of the implants. Generally, the implants are under strict standardization, according to the strict International Standards, not only from manufacturing aspect, but also from checking aspect. For the second aspect, it has to do with two things; the first is the accuracy of the dimensions and the surface quality of the construction and the second one is the resistance in static and dynamic load. The aim of this chapter is the investigation about the accuracy of the implants, which were constructed in the laboratory, metallic and ceramic, and also there will be exported some numerical models, which will predict the surface roughness, in reference to the cutting parameters. Furthermore, it will be presented the accuracy of the die construction as it plays a specific role in the manufacturing of the stem. In the sixth chapter it is presented the testing of the resistance in static load of the femoral heads. The implants are checked not only for their accuracy in dimensions and surface roughness, but also for their resistance in loads, as they are distressed whiles the walking of the patient and consequently of the way of move the loads that act on them can reach twenty times the patient weight. For this reason, a number of tests, not only static but also dynamic, have been set down by the international standards. In this particular occasion they were used only the static tests, not only experimental, but also numerical, with the use of finite element software, for the better comparison of the results. Finally, in the last chapter, the seventh, it is presented the final conclusions of the Thesis from the experimental and numerical investigation of the construction of implants and their examination, not only for their resistance but also for their accuracy. vii

14 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ A Εμβαδόν αποβλίττου (mm 2 ) b Πλάτος αποβλίττου (mm) C Σταθερά DF Βαθμοί ελευθερίας f Πρόωση (mm/rev) F Τιμή F αποτέλεσμα της ανάλυσης ANOVA F c F r F t h Δύναμη κοπής (N) Δύναμη άπωσης (N) Δύναμη πρόωσης (N) Πάχος αποβλίττου (mm) k s Ειδική δύναμη κοπής (N/mm 2 ) k r k 11 k c k v k a k t m MS SS P Ra RaT v x 1 x 2 x 3 y ) α γ Γωνία τοποθέτησης εργαλείου Ειδική δύναμη κοπής απαραίτητη για την τομή αποβλίττου με πάχος 1mm (h) και πλάτος 1mm (b) Συντελεστής γωνίας αποβλίττου Συντελεστής ταχύτητας κοπής Συντελεστής φθοράς εργαλείου Συντελεστής υλικού εργαλείου Κλίση καμπύλης Μέσο τετράγωνο Άθροισμα μέσων τετραγώνων Επίπεδο σημαντικότητας Μέση τραχύτητα Προβλεπόμενη μέση τραχύτητα Ταχύτητα κοπής Λογαριθμικός μετασχηματισμός ταχύτητας κοπής Λογαριθμικός μετασχηματισμός πρόωσης Λογαριθμικός μετασχηματισμός βάθους κοπής Εκτιμώμενη απόκριση της επιφανειακής τραχύτητας Βάθος κοπή Γωνία αποβλίττου viii

15 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου θ ε η ) Γωνία τοποθέτησης Τυχαίο σφάλμα Πραγματική απόκριση της επιφανειακής τραχύτητας ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Περιγραφή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σχήμα 1.1 Κατεργασίες αποβολής υλικού... Σχήμα 1.2 Η εξελικτική πορεία του τόρνου... Σχήμα 1.3 Η εξέλιξη της ακρίβειας στις κατεργασίες σύμφωνα με την κατάταξη του Taniguchi... Σχήμα 1.4 Έλεγχος ποιότητας επιφάνειας κατόπτρου. Σχήμα 1.5 Μινιατούρα οδοντωτού τροχού.. Σχήμα 1.6 Απόλυτο μέγεθος και σχετική ακρίβεια προϊόντων λίαν υψηλής ακρίβειας.. Σχήμα 1.7: Βασικές έννοιες της κοπής Σχήμα 1.8: Είδη αποβλίττου (α) συνεχές και (β) διακοπτόμενο.. Σχήμα 1.9 : Χαρακτηριστικά κατεργασίας.. Σχήμα 1.10 : Ταχύτητες κοπής για κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων.. Σχήμα 1.11 : Σκληρότητα και αντοχή υλικών εργαλείων Σχήμα 1.12 : Περιοχή ταχυτήτων πρόωσης για διάφορα υλικά εργαλείων. Σχήμα 1.13 : Σχέση επικαλύψεων με χρόνο ζωής εργαλείου.. Σχήμα 1.14: Αναπτυσσόμενες δυνάμεις κατά την τόρνευση (α) Διαμήκης τόρνευση, (β) Εγκάρσια τόρνευση... Σχήμα 1.15: Περιγραφή τραχύτητας επιφανείας. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.1: Τα εμφυτεύματα (κεραμικο-κεραμικό, ceramic-on-ceramic) αποτελούν εναλλακτική λύση στη χρήση των συμβατικών υλικών. Σχήμα 2.2: Το οξυγόνο φυσικά διαχέεται στο κράμα ζιρκονίου, όταν θερμαίνεται στον αέρα, προκαλώντας την αρχική μεταλλική επιφάνεια να μετασχηματιστεί σε κεραμικό οζιδίου του ζιρκονίου... Σελ ix

16 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή Σχήμα 2.3: Βιοκεραμική κοτύλη που δεν απαιτεί χρήση οστικού τσιμέντου. Σχήμα 2.4: Σύγκριση του ρυθμού φθοράς μεταξύ διαφόρων υλικών για εμφυτεύματα.. Σχήμα 2.5: Ακτινογραφία μια ολικής αρθρoπλαστικής του αριστερού ισχίου σε (A) anteroposterior και (B) lateral όψη που πάρθηκε μετά από 4 μήνες από την αρχική εγχείρηση και αποκαλύπτει 58 κλίση του τιτανιούχου κυπεlλίου και μια μετατόπιση της δομής του άνω τροχαντήρα. Και τα δυο τα στοιχεία ήταν καλά στερεωμένα.. Σχήμα 2.6: Κατ όγκο φθορά των κεφαλών CrN και αλουμίνιας με UHMWPE.. Σχήμα 2.7: Ο μέσος ρυθμός φθοράς για εκατομμύρια κύκλους.. Σχήμα 2.8: Ο ρυθμός φθοράς συναρτήσει της συγκέντρωσης των σωματιδίων του τσιμέντου. Σχήμα 2.9: Παρουσίαση της φθοράς μηριαίων κεφαλών σε (a) μεταλλικές κεφαλές κράματος CrCo και (b) κεραμική κεφαλή Al 2 O Σχήμα 2.10: Λεπτομέρεια φθοράς μεταλλικής κεφαλής κράματος CrCo σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.. Σχήμα 2.11: Ο λόγου της φθοράς της κεφαλής προς τη συνολική φθορά για εκατομμύρια κύκλους Σχήμα 2.12: Οι πλάκες από οξειδωμένο ζιρκόνιο είχαν 4900 φορές λιγότερη φθορά και 16- φορές λιγότερη τραχύτητα από τις μεταλλικές πλάκες χρωμίου κοβαλτίου Σχήμα 2.13: Η τραχύτητα του χρωμίου κοβαλτίου αυξάνει περίπου πέντε με δέκα φορές στις προσομοιώσεις με το φιλτραρισμένο υγρό, ενώ στο οξειδωμένο ζιρκόνιο παραμένει σταθερή και λεία Σχήμα 2.14: Ταχύτητα διάδοσης ρωγμής (V) σε σχέση με τον παράγοντα πυκνότητας τάσεων (KI ) για βιοσυμβατά υλικά Al 2 O 3, ZrO 2 και Al 2 O 3 F10 κατ. όγκο ZrO 2 νανοδόμηση.. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχήμα 3.1 Κατεργασία εμφυτευμάτων (α) μέσω σφυρηλάτησης και (β) μέσω τόρνευσης Σχήμα 3.2: Μέθοδος κατασκευής κεραμικών εμφυτευμάτων... Σχήμα 3.3: Πειραματική διαδικασία (a) ο τόρνος CNC που χρησιμοποιήθηκε, (b) καμπίνα τόρνου, όπου υπάρχουν οι συσκευές για τη συγκράτηση του x

17 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου αρχικού τεμαχίου (b1) και του δυναμόμετρου (b2), (c) κατεργασία και (d) το τελικό προϊόν Σχήμα 3.4: Απεικόνιση του 2 3 σχεδιασμού παραμέτρων με επιπρόσθετα σημεία Σχήμα 3.5: Απεικόνιση του περιβάλλοντος του πακέτου AdvantEdge Σχήμα 3.6: Πειραματική διαδικασία κατασκευής κεραμικών μηριαίων κεφαλών (α) Τόρνος CNC δύο αξόνων της εταιρείας OKUMA (β) Κυλινδρικό τεμάχιο (μήκους 100mm και διαμέτρου d=25mm) πολυκρυσταλλικής αλούμινας μεγάλης καθαρότητας (99.5%) (γ) Απομάκρυνση εξωτερικού στρώματος πάχους 2mm. Διακρίνονται με μεγάλη ευκρίνεια, τα παραγόμενα απόβλητα της τόρνευσης (δ) Κατεργασία εμπρόσθιας επιφάνειας κεφαλής (ε) Διαμόρφωση του δεύτερου ημισφαιρίου της κεφαλής.. Εδώ, το ακριβές σετάρισμα της μηχανής CNC παίζει καθοριστικό παράγοντα στη σφαιρικότητα του τελικού προϊόντος που επιτυγχάνεται τελικά με το φινίρισμα (στ) Η τελική φάση της κεραμικής κεφαλής και (ζ) τελικό προϊόν των κεφαλών Σχήμα 3.7: Περιγραφή της κατεργασίας της σφαίρας... Σχήμα 3.8: Σύγκριση των τιμών της θερμοκρασίας και δημιουργίας αποβλίττου (α) ταχύτητα κοπής 440m/min, πρόωση 0.06 mm/rev και βάθος κοπής 0.2mm στη θέση των 60 ο, (β) ταχύτητα κοπής 264m/min, πρόωση 0.06 mm/rev και βάθος κοπής 0.2mm στη θέση των 9 ο, (γ) ταχύτητα κοπής 352m/min, πρόωση 0.08 mm/rev και βάθος κοπής 0.2mm στη θέση των 30 ο και (δ) ταχύτητα κοπής 440m/min, πρόωση 0.12 mm/rev και βάθος κοπής 0.1mm στη θέση των 9 ο. Σχήμα 3.9: Δυνάμεις κοπής για 0,2mm βάθος κοπής στη θέση των 9 ο. Σχήμα 3.10: Δυνάμεις κοπής για 0,2mm βάθος κοπής στη θέση των 30 ο. Σχήμα 3.11: Δυνάμεις κοπής για 0,2mm βάθος κοπής στη θέση των 60 ο. Σχήμα 3.12: Δυνάμεις κοπής για 0,2mm βάθος κοπής στη θέση των 90 ο Σχήμα 3.13: Δυνάμεις κοπής για 0,1mm βάθος κοπής στη θέση των 9 ο.. Σχήμα 3.14: Δυνάμεις κοπής για 0,1mm βάθος κοπής στη θέση των 30 ο Σχήμα 3.15: Δυνάμεις κοπής για 0,1mm βάθος κοπής στη θέση των 60 ο Σχήμα 3.16: Δυνάμεις κοπής για 0,1mm βάθος κοπής στη θέση των 90 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα 4.1 Εργαλεία για την κατεργασία γλυπτών επιφανειών. Σχήμα 4.2: Σειριακή μορφή διαδρομής εργαλείου... Σχήμα 4.3: Κυκλική μορφή διαδρομής εργαλείου xi

18 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή Σχήμα 4.4: Γραμμική μορφή διαδρομής εργαλείου. Σχήμα 4.5: Περιγραμματική μορφή διαδρομής εργαλείου Σχήμα 4.6: Κατεργασίες κοπής με εργαλεία σφαιρικής απόληξης... Σχήμα 4.7: Γραμμές και αυλάκια από την κοπτική σφαιρική μορφή Σχήμα 4.8: Σχεδιασμός προθέματος και καλουπιού.. Σχήμα 4.9: Κέντρο κατεργασίας στο οποίο έγινε η κατεργασία του καλουπιού... Σχήμα 4.10: Εργαλεία για την κατεργασία του καλουπιού (α) σφαιρικής απόληξης 8mm και (β) λεπτομέρεια του ίδιου, (γ) σφαιρικής απόληξης 6mm και (δ) λεπτομέρεια του ίδιου. Σχήμα 4.11: Εισαγωγή αρχικής γεωμετρίας στο λογισμικό. Σχήμα 4.12: Καθορισμός αρχικής γεωμετρία τεμαχίου. Σχήμα 4.13: Προγραμματισμός διαδικασία εκχόνδρισης για εργαλείο με σφαιρική απόληξη διαμέτρου 8mm Σχήμα 4.14: Μορφή διαδρομής εργαλείου εκχόνδρισης διαμέτρου 8mm Σχήμα 4.15: Προγραμματισμός διαδικασία εκχόνδρισης για εργαλείο με σφαιρική απόληξη διαμέτρου 6mm Σχήμα 4.16: Μορφή διαδρομής εργαλείου εκχόνδρισης διαμέτρου 6mm Σχήμα 4.17: Προγραμματισμός διαδικασία αποπράτωσης για εργαλείο με σφαιρική απόληξη διαμέτρου 6mm Σχήμα 4.18: Μορφή διαδρομής εργαλείου αποπεράτωσης διαμέτρου 6mm Σχήμα 4.19: Διεργασία εκχόνδρισης (α) προσομοίωση και (β) κατεργασία στη μηχανή με εργαλείο σφαιρικής απόληξης διαμέτρου 8mm και εκχόνδριση (γ) κατεργασία στη μηχανή και (δ) προσομοίωση με εργαλείο σφαιρικής απόληξης διαμέτρου 6mm... Σχήμα 4.20: Αποτέλεσμα διεργασία εκχόνδρισης (α) προσομοίωση και (β) κατεργασία στη μηχανή.. Σχήμα 4.21: Διεργασία αποπεράτωσης (α) προσομοίωση και (β) κατεργασία στη μηχανή.. Σχήμα 4.22: Αποτέλεσμα κατεργασίας αποπεράτωσης (α) κατεργασθέν τεμάχιο στην εργαλειομηχανή και (β) κατεργασθέν τεμάχιο βάση της προσομοίωσης.. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχήμα 5.1: Επιρροή των παραμέτρων κοπής στην τραχύτητα επιφάνειας μετά από αποπεράτωση σκληρής κατεργασίας xii

19 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου Σχήμα 5.2: Ra ως συνάρτηση του χρόνου κοπής για τους πρώτους τύπους δοκιμών φθοράς με συνεχόμενη κοπή με (Α) V = 125m/min (Β) V = 175m/min Σχήμα 5.3: Απεικόνιση κεφαλής μικροσκοπίου Σχήμα 5.4: Απεικόνιση σχεδιασμού πειραμάτων για τρεις παραμέτρους. Σχήμα 5.5: Επιφανειακή τοπογραφία των κατεργασμένων κεφαλών (α) με 356m/min ταχύτητα κοπής, 0.06 mm/rev πρόωση και 0.2mm βάθος κοπής, (β) με 440m/min ταχύτητα κοπής, 0.06 mm/rev πρόωση και 0.2mm βάθος κοπής, (γ) με 440m/min ταχύτητα κοπής, 0.06 mm/rev πρόωση και 0.1mm βάθος κοπής, (δ) με 356m/min ταχύτητα κοπής, 0.08 mm/rev πρόωση και 0.1mm βάθος κοπής Σχήμα 5.6: Τραχύτητα επιφάνειας σε σχέση με τις συνθήκες κοπής Σχήμα 5.7: Μετρητική μηχανή CMM... Σχήμα 5.8: Απεικόνιση σημείων μέτρησης ακτίνας σε μηριαία κεφαλή. Τα υπόλοιπα βρίσκονται με άξονα συμμετρίας τον άξονα της κεφαλής στην πίσω πλευρά. Σχήμα 5.9: Αποτελέσματα μέτρησης τραχύτητας (α) Κεφαλή Νο.1 μετά την τελική έψηση, σημείο 1 ο :στον πόλο (β) Κεφαλή Νο.2 μετά την τελική έψηση, σημείο 2 ο :στον ισημερινό (γ) Κεφαλή Νο.1 μετά την τελική έψηση, σημείο 2 ο :στον ισημερινό (δ) Κεφαλή Νο.2 μετά την τελική έψηση, σημείο 1 ο :στον πόλο... Σχήμα 5.10: Σημεία μέτρησης τραχύτητας επιφάνειας καλουπιού... Σχήμα 5.11: Τιμές μέσης τραχύτητας Ra επιτυγχανόμενες με διάφορες κατεργασίες. Σχήμα 5.12: Σημεία και στοιχεία που μετρήθηκαν πάνω στο καλούπι. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σχήμα 6.1: Κατάστρωση προβλήματος με πεπερασμένα στοιχεία... Σχήμα 6.2α: Πλέγμα και των τριών κομματιών σε επαφή με κωνική επιφάνεια.. Σχήμα 6.2β: Πλέγμα και των τριών κομματιών σε επαφή με επίπεδη επιφάνεια. Σχήμα 6.3: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων Σχήμα 6.4: Ανάλυση von misses κεφαλής από χάλυβα 316L σε επαφή με κωνική επιφάνεια και φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN Σχήμα 6.5: Ανάλυση von misses κεφαλής από χάλυβα 316L σε επαφή με xiii

20 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή επίπεδη επιφάνεια και φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN Σχήμα 6.6: Ανάλυση von misses κεφαλής από κεραμική Al 2 O 3 σε επαφή με επίπεδη επιφάνεια και φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN... Σχήμα 6.7: Ανάλυση von misses κεφαλής από κεραμική Al 2 O 3 σε επαφή με κωνική επιφάνεια και φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN... Σχήμα 6.8: Περιβάλλον εργασίας Bluehill2.. Σχήμα 6.9: (α) Φωτογραφία κατά την διάρκεια στατικού ελέγχου κεραμικής κεφαλής με κωνική επιφάνεια και (β) με επίπεδη επιφάνεια σύμφωνα με το ISO Σχήμα 6.10: (α) Φωτογραφία κατά την διάρκεια στατικού ελέγχου μεταλλικής κεφαλής με επίπεδη επιφάνεια και (β) με κωνική επιφάνεια σύμφωνα με το ISO Σχήμα 6.11: (α)επαφή κεφαλής με κωνική επιφάνεια και (β) με επίπεδη επιφάνεια σύμφωνα με το ISO Σχήμα 6.12: Αποτελέσματα στατικού ελέγχου κεφαλών χάλυβα 316L σε κωνική επιφάνεια για φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN Σχήμα 6.13: Αποτελέσματα στατικού ελέγχου κεφαλών χάλυβα 316L σε επίπεδη επιφάνεια για φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN Σχήμα 6.14: Αποτελέσματα στατικού ελέγχου κεραμικών κεφαλών Al 2 O 3 σε κωνική επιφάνεια για φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN Σχήμα 6.15: Αποτελέσματα στατικού ελέγχου κεραμικών κεφαλών Al 2 O 3 σε επίπεδη επιφάνεια για φορτίο (α) 3kN, (β) 5kN, (γ) 10kN, (δ) 20kN και (ε) 30kN Σχήμα 6.16: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 3 kn σε υλικό 316L σε επίπεδη επιφάνεια... Σχήμα 6.17:Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 5 kn σε υλικό 316L σε επίπεδη επιφάνεια.. Σχήμα 6.18:Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 10 kn σε υλικό 316L σε επίπεδη επιφάνεια xiv

21 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου Σχήμα 6.19: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 20kN σε υλικό 316L σε επίπεδη επιφάνεια.. Σχήμα 6.20: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 30 kn σε υλικό 316L σε επίπεδη επιφάνεια.. Σχήμα 6.21: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 3 kn σε υλικό 316L σε κωνική επιφάνεια.. Σχήμα 6.22: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 5 kn σε υλικό 316L σε κωνική επιφάνεια.. Σχήμα 6.23: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 10 kn σε υλικό 316L σε κωνική επιφάνεια.. Σχήμα 6.24: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 20 kn σε υλικό 316L σε κωνική επιφάνεια.. Σχήμα 6.25: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 30 kn σε υλικό 316L σε κωνική επιφάνεια.. Σχήμα 6.26: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 3 kn σε υλικό Al2O3 σε κωνική επιφάνεια. Σχήμα 6.27: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 5 kn σε υλικό Al2O3 σε κωνική επιφάνεια. Σχήμα 6.28: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 10 kn σε υλικό Al2O3 σε κωνική επιφάνεια. Σχήμα 6.29: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 20 kn σε υλικό Al2O3 σε κωνική επιφάνεια. Σχήμα 6.30: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 30 kn σε υλικό Al2O3 σε κωνική επιφάνεια. Σχήμα 6.31: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 3 kn σε υλικό Al2O3 σε επίπεδη επιφάνεια Σχήμα 6.32:Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 5 kn σε υλικό Al2O3 σε επίπεδη επιφάνεια Σχήμα 6.33:Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 10 kn σε υλικό Al2O3 σε επίπεδη επιφάνεια Σχήμα 6.34: Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 20 kn σε υλικό Al2O3 σε επίπεδη επιφάνεια Σχήμα 6.35:Διάγραμμα μετατόπισης-φορτίου μέγιστης δύναμη 30 kn σε υλικό xv

22 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή Al2O3 σε επίπεδη επιφάνεια 171 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Περιγραφή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Πίνακας 2.1: Συγκριτικός πίνακας με τις ιδιότητες των μετάλλων για εμφυτεύματα αρθροπλαστικής ισχίου.. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Πίνακας 3.1: Ιδιότητες υλικού Πίνακας 3.2: Επίπεδα ανεξάρτητων μεταβλητών Πίνακας 3.3: Δεδομένα εισαγωγής στο λογισμικό..... Πίνακας 3.4: Πειραματικές συνθήκες και αριθμητικά αποτελέσματα... Πίνακας 3.5: Πειραματικές συνθήκες και αποτελέσματα προσομοιώσεων. Πίνακας 3.6: ANOVA για τα πειραματικά αποτελέσματα. Πίνακας 3.7: ANOVA για τα αριθμητικά αποτελέσματα... Πίνακας 3.8: ANOVA για τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πίνακας 5.1: Πειραματικές συνθήκες, αποτελέσματα και αποτελέσματα σφάλματος για επιφανειακή τραχύτητα Πίνακας 5.2: Ανάλυση διακύμανσης του μοντέλου δεύτερης τάξης. Πίνακας 5.3: Ανάλυση διακύμανσης του μοντέλου πρώτης τάξης Πίνακας 5.4: Μετρήσεις τραχύτητας κεφαλών.. Πίνακας 5.5: Μετρήσεις τραχύτητας επιφάνειας καλουπιού.. Πίνακας 5.6: Μετρήσεις διαστάσεων καλουπιού.... Σελ xvi

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΛΙΑΝ ΥΨΗΛΗΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή 1.2 Κατεργασίες υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας 1.3 Η κατεργασία της τόρνευσης 1.4 Κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων κοπής Μηχανικές παράμετροι Κοπτικά εργαλεία Καρβίδια Σκληρομέταλλα Επικαλύψεις Κεραμικές επικαλύψεις Κυβικός Βοριονιτρίτης (CBN) 1.5 Δυνάμεις στην τόρνευση Πρότυπο της λοξής κοπής Η ημιεμπειρική μέθοδος Kienzle Γραμμικό μοντέλο δυνάμεων Μοντέλο για υπολογισμό των δυνάμεων σε κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων 1.6 Τραχύτητα επιφάνειας Βιβλιογραφία 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κατεργασίες των υλικών εμφανίστηκαν ως ανάγκη στην ανθρώπινη κοινωνία ταυτόχρονα με την αναζήτηση του ανθρώπου να κατασκευάσει διάφορα αντικείμενα, όπως εργαλεία ή όπλα, από διάφορα υλικά, όπως πέτρα ή μέταλλο, προκειμένου να τα χρησιμοποιήσει στην καθημερινή του ζωή. Ιδιαίτερα για την κατεργασία των μετάλλων, ο άνθρωπος ανέπτυξε από τα πρώτα κιόλας χρόνια μια αρκετά σύνθετη τεχνολογία, η οποία συνεχίζει μέχρι και τις μέρες μας να εξελίσσεται 1

24 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή και να αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα κομμάτια της σύγχρονης βιομηχανίας. Οι κατεργασίες αποβολής υλικού, ως μέρος των κατεργασιών των υλικών, κατέχουν μια εξέχουσα θέση στη σημερινή βιομηχανία. Υπολογίζεται ότι στις ανεπτυγμένες βιομηχανικά χώρες το κόστος αυτών των κατεργασιών αποτελεί περισσότερο από το 15% της αξίας των προϊόντων που παράγονται στις χώρες αυτές [1]. Στον όρο κατεργασίες αποβολής υλικού συμπεριλαμβάνονται όλες εκείνες οι κατεργασίες, στις οποίες, προκειμένου να προσδοθεί σε ένα κομμάτι υλικού η επιθυμητή μορφή, αφαιρείται υλικό με τη μορφή αποβλίττου. Η αφαίρεση υλικού γίνεται μέσω ενός κοπτικού εργαλείου, το οποίο παραμορφώνει πλαστικά το κατεργαζόμενο υλικό. Οι κατεργασίες αποβολής υλικού χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η αποβολή υλικού: στις κοπές (cutting processes) και στις κατεργασίες με χρήση λειαντικών στοιχείων (abrasive processes), όπως φαίνεται στο σχήμα 1.1 [2]. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει κατεργασίες, όπως η τόρνευση και το φρεζάρισμα, όπου τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται έχουν μία ή πολλές κοπτικές ακμές συγκεκριμένης γεωμετρίας. Αντίθετα, οι κατεργασίες της δεύτερης κατηγορίας, όπως η λείανση και η στίλβωση, χρησιμοποιούν εργαλεία, τα οποία φέρουν λειαντικά στοιχεία, σε μορφή κόκκων, τα οποία κατά κανόνα είναι πολλά σε αριθμό και δεν έχουν συγκεκριμένη γεωμετρία. Σχήμα 1.1 Κατεργασίες αποβολής υλικού Αν και οι κατεργασίες αποβολής υλικού, και ιδιαίτερα οι κατεργασίες αποβολής υλικού των μετάλλων, έχουν συνδεθεί κυρίως με την εποχή της βιομηχανικής επανάστασης, υφίστανται ως κατεργασίες από την αρχαία ακόμη εποχή, την αρχαία Αίγυπτο και την αρχαία Ελλάδα. Αργότερα, υπάρχουν αναφορές 2

25 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου για εργαλειομηχανές κατά την περίοδο του Μεσαίωνα. Είναι χαρακτηριστικό ότι έχει βρεθεί και ένα σχέδιο μιας μορφής τόρνου ανάμεσα στα σχέδια του Leonardo da Vinci [3]. Μέχρι και την περίοδο της βιομηχανικής επανάστασης οι εργαλειομηχανές ήταν ακόμη χειροκίνητες και χρησιμοποιούνταν ελάχιστα για την κατεργασία μετάλλων. Το μεγαλύτερο μέρος του εξοπλισμού των βιομηχανιών της εποχής αποτελούνταν από ξύλο, ενώ τα μέταλλα, κυρίως ο σίδηρος, χρησιμοποιούνταν σε πολύ ειδικές κατασκευές, όπως π.χ. τα κανόνια. Στο δεύτερο μισό του 18 ου αιώνα ξεκινά μια εποχή, κατά την οποία η ανάγκη για κατασκευή μηχανών και κατασκευών από σίδηρο και χάλυβα είναι αρκετά μεγάλη. Η κατασκευή εξαρτημάτων τέτοιου είδους μηχανών με το χέρι είναι απαγορευτική, λόγω κόστους αλλά και επιτυγχανόμενης ακρίβειας. Επιπλέον, η ανάγκη για αύξηση της παραγωγικότητας και το γεγονός ότι οι εργαλειομηχανές δεν είναι πλέον χειροκίνητες δίνουν μια νέα ώθηση στον τομέα αυτόν της βιομηχανίας. Φτιάχνονται εργαλειομηχανές, με τις οποίες μπορούν να κατασκευαστούν εξαρτήματα άλλων μηχανών με ακρίβεια και ταχύτητα. Την ίδια περίοδο αρχίζει και η συστηματική μελέτη των φαινομένων που παρατηρούνται στις κατεργασίες αποβολής υλικού και διατυπώνονται θεωρίες πάνω στο μηχανισμό αποβολής υλικού. Οι εξελίξεις αυτές οδηγούν σε βελτιώσεις πάνω στις εργαλειομηχανές που αντικατοπτρίζονται στην καλύτερη ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Το επόμενο μεγάλο βήμα, η προσθήκη ηλεκτροκινητήρων στις εργαλειομηχανές οδηγεί στην αύξηση της παραγωγικότητας. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των υλικών έδωσε το έναυσμα για περαιτέρω εξελίξεις και στην τεχνολογία των κοπτικών εργαλείων. Νέα εργαλεία, από νέα υλικά και με διάφορα σχήματα, τα οποία έχουν βελτιωμένες ιδιότητες και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής κάνουν την εμφάνισή τους και ανοίγουν νέους ορίζοντες στις κατεργασίες. Οι εργαλειομηχανές για τις κατεργασίες αποβολής υλικού δεν έμειναν ανεπηρέαστες από την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών της σύγχρονης εποχής. Οι νέες εργαλειομηχανές, οι λεγόμενες CNC (Computer Numerical Control), που για το χειρισμό τους χρησιμοποιείται αριθμητικός έλεγχος, διαθέτουν μικροεπεξεργαστές και πλήθος αυτοματισμών. Είναι ικανές να επεξεργαστούν κάθε υλικό σε υψηλές ταχύτητες και με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Στο σχήμα 1.2 φαίνεται η εξελικτική πορεία του τόρνου, από την αρχαία Αίγυπτο το 300 π.χ. περίπου [4], σε ένα χειροκίνητο τόρνο του 1500 [3], έναν τόρνο του 1855 [5], ένα κοινό τόρνο γενικής χρήσης και τέλος ένα CNC τόρνο. 3

26 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή Σχήμα 1.2 Η εξελικτική πορεία του τόρνου Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι παρόλο που οι κατεργασίες αποβολής υλικού έχουν τις ρίζες τους στα βάθη της ιστορίας αποτελούν μέχρι και σήμερα ένα σημαντικό τεχνολογικό και οικονομικό κεφάλαιο στην παγκόσμια βιομηχανία. Οι εξελίξεις της τεχνολογίας εφαρμόζονται σε αυτές και χωρίς αυτές μερικές εξελίξεις δε θα ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν. Οι κατεργασίες αποβολής υλικού βρίσκουν εφαρμογή σε αρκετούς τομείς όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροπορική και διαστημική βιομηχανία, η κατασκευή εξαρτημάτων μεγάλης ακριβείας κλπ. Οι απαιτήσεις στους παραπάνω τομείς είναι αρκετά αυξημένες. Τα προϊόντα πρέπει να έχουν τις σωστές διαστάσεις και την απαιτούμενη ακρίβεια ενώ πρέπει παράλληλα να εξασφαλίζεται και η επιθυμητή ποιότητα. Επιπλέον, όλα αυτά πρέπει να επιτευχθούν με τον πιο οικονομικό τρόπο. Οι σύγχρονες κατεργασίες υψηλής ακριβείας είναι σε θέση να αντεπεξέλθουν των δυσκολιών που παρουσιάζονται και να καλύψουν τις απαιτήσεις. Είναι ωστόσο ανάγκη να μελετηθούν περαιτέρω οι μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα κατά την διάρκεια τέτοιων κατεργασιών, να εξηγηθούν τα φαινόμενα που παρουσιάζονται και κάνουν τις κατεργασίες αυτές να έχουν κάποιες ιδιαιτερότητες σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές και τέλος να προετοιμάσουν το έδαφος για ακόμη μεγαλύτερα επιτεύγματα της τεχνολογίας. Στις παραγράφους που ακολουθούν γίνεται μια παρουσίαση των κατεργασιών υψηλής ακριβείας, με έμφαση στην τόρνευση, που είναι οι κυριότερες κατεργασίες που εφαρμόζονται. 4

27 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου 1.2 ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΚΑΙ ΛΙΑΝ ΥΨΗΛΗΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ Ένας τρόπος για την κατάταξη των κατεργασιών είναι η κατάταξή τους σύμφωνα με την ακρίβεια που μπορεί να επιτύχουν. Ιδιαίτερα στις κατεργασίες αποβολής υλικού, που η προσπάθεια για όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια αποτελεί συνεχή στόχο, μια τέτοια κατάταξη είναι πολύ ουσιώδης. Μπορούμε να διακρίνουμε τις κανονικές (normal), ακριβείας (precision) και λίαν υψηλής ακριβείας (ultraprecision-up) κατεργασίες αποβολής υλικού. Το πώς ορίζεται η καθεμία από τις παραπάνω κατηγορίες είναι συνάρτηση της χρονολογίας στην οποία αναφερόμαστε. Κάποτε θεωρούνταν μόνο τα εξαρτήματα των ρολογιών ή κάποια αστρονομικά όργανα ως προϊόντα ακριβείας. Σήμερα απαιτείται ακρίβεια σε πάμπολλες μηχανολογικές και ηλεκτρονικές συσκευές, με αποκορύφωμα ίσως τη βιομηχανία κατασκευής ημιαγωγών και εξαρτημάτων υπολογιστών. Είναι επίσης φυσικό μια κατεργασία που το 1980 θεωρούνταν UP κατεργασία σήμερα να θεωρείται απλώς κατεργασία ακριβείας. Είναι, λοιπόν, ασαφής ο ορισμός ορίων και διαχωριστικών γραμμών ανάμεσα στις διάφορες κατηγορίες και ειδικά ανάμεσα στις κατεργασίες ακριβείας και λίαν υψηλής ακριβείας. Για τον διαχωρισμό των κατεργασιών ανάλογα με την επιτυγχανόμενη ακρίβεια χρησιμοποιείται συχνά η κατάταξη του Taniguchi, η οποία παρουσιάζεται στο σχήμα 1.3 [6]. 5

28 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή Σχήμα 1.3 Η εξέλιξη της ακρίβειας στις κατεργασίες σύμφωνα με την κατάταξη του Taniguchi Στο προηγούμενο σχήμα μπορεί κανείς να δει το πώς μεταβάλλονται τα όρια των κατηγοριών μέσα στις δεκαετίες του 20 ου αιώνα και ποια είναι τα όρια που έχουν μέχρι σήμερα επιτευχθεί. Σήμερα, τα όρια για τις κατεργασίες ακριβείας είναι μεταξύ 0,01 μm και 0,1 μm, ενώ για τις κατεργασίες λίαν υψηλής ακριβείας, που είναι οι κατά το μέγιστο δυνατό κατεργασίες ακριβείας κάθε εποχής, είναι μεταξύ 0,001μm και 0,01μm. Αν και η κατάταξη του Taniguchi δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 80 φαίνεται πως οι προβλέψεις της έχουν επαληθευθεί, ειδικά στη βιομηχανία κατασκευής ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Υπάρχουν δηλαδή κατεργασίες οι οποίες μπορούν να αγγίξουν τα όρια αυτά και παραδείγματα είναι κατεργασίες που βασίζονται σε οπτικές μεθόδους, τεχνικές απόθεσης ατμού και άλλες 6

29 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου κατεργασίες ή συσκευές που μπορεί να αναζητηθούν στη σχετική βιβλιογραφία. Για περαιτέρω ενημέρωση προτείνεται η βιβλιογραφική αναφορά [7]. Στο ίδιο σχήμα σημειώνεται και το μέγεθος του ατομικού πλέγματος (atomic lattice), δεδομένου ότι θεωρητικά αποτελεί το κατώτατο όριο των κατεργασιών, μια περιοχή δηλαδή όπου η αφαίρεση υλικού γίνεται άτομο προς άτομο. Η πρόβλεψη, για τον 21 ο αιώνα πια, είναι ότι η κλίση της καμπύλης θα μειωθεί αισθητά, επειδή για περαιτέρω μείωση των ορίων χρειάζονται νέες κατεργασίες, μετρητικές διατάξεις και άλλα εργαλεία που να επιτρέπουν τον χειρισμό της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Σύμφωνα με τα παραπάνω, προκειμένου να χαρακτηριστεί μια κατεργασία, και κατ επέκταση και τα προϊόντα που παράγονται από αυτή, ως υψηλής ή λίαν υψηλής ακριβείας πρέπει να μπορεί να παράγει, ή αν πρόκειται για το προϊόν να διαθέτει, ένα χαρακτηριστικό που να βρίσκεται στη δεδομένη χρονική στιγμή κάτω από την αντίστοιχη διαχωριστική γραμμή του διαγράμματος του Taniguchi. Στον όρο χαρακτηριστικό μπορεί να εννοούνται οι διαστάσεις ενός αντικειμένου ή και άλλα χαρακτηριστικά όπως η ακρίβεια, η επιφανειακή τραχύτητα, οι ανοχές κλπ. Λόγω αυτού του περιθωρίου που περιλαμβάνεται στον ορισμό των κατεργασιών υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας, μπορούμε να διακρίνουμε δύο περιπτώσεις προϊόντων των κατεργασιών αυτών, οι οποίες σηματοδοτούν και τις διεθνείς εξελίξεις στον τομέα αυτό. Οι δύο κατηγορίες αυτές είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους και αλληλοεπηρεαζόμενες. Η πρώτη κατηγορία συμπεριλαμβάνει τα αντικείμενα μεγάλης κλίμακας τα οποία έχουν κάποιο χαρακτηριστικό τους, εκτός των διαστάσεών τους, μέσα στα προαναφερόμενα όρια και η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει αντικείμενα, τα οποία είναι μινιατούρες στοιχείων μηχανών (miniatures), πολύ μικρών διαστάσεων και κατασκευασμένα με μεγάλη ακρίβεια. Για παράδειγμα, τόσο ένα κάτοπτρο τηλεσκοπίου, το οποίο μπορεί να έχει ακτίνα κάποιων μέτρων, αλλά επιφανειακή τραχύτητα μερικών δεκάτων του μικρομέτρου, όσο και ένας οδοντωτός τροχός με διαστάσεις κάποιων δεκάδων μικρομέτρων χαρακτηρίζονται ως προϊόντα κατεργασιών λίαν υψηλής ακριβείας. Στο σχήμα 1.4 φαίνεται ο έλεγχος ποιότητας της επιφάνειας του κατόπτρου VLT της Χιλής, με διάμετρο 8,2 m και μέγιστη επιφανειακή τραχύτητα 0,005 μm, ενώ στο σχήμα 1.5 εικονίζεται ένα μυρμήγκι που κρατάει έναν οδοντωτό τροχό του οποίου η μεγαλύτερη διάσταση δεν ξεπερνά τα 100 μm. 7

30 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή Σχήμα 1.4 Έλεγχος ποιότητας επιφάνειας κατόπτρου Σχήμα 1.5 Μινιατούρα οδοντωτού τροχού Για να καλύπτονται όλες οι περιπτώσεις των κατεργασιών αποβολής υλικού υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας από έναν κοινό ορισμό εισάγεται η έννοια της σχετικής ακρίβειας, η οποία ορίζεται ως ο λόγος ενός χαρακτηριστικού του αντικειμένου προς τις διαστάσεις του. Για να χαρακτηριστεί ένα αντικείμενο ως προϊόν λίαν υψηλής ακρίβειας θα πρέπει είτε να έχει διαστάσεις μικρότερες από 0,01 μm, όπως ορίζεται από το διάγραμμα Taniguchi, ή η σχετική του ακρίβεια να είναι της τάξεως του 10-4, που είναι ένα γενικά αποδεκτό όριο [7]. Στο σχήμα 1.6 παρουσιάζεται ένα διάγραμμα, όπου στον οριζόντιο άξονα σημειώνεται το απόλυτο μέγεθος και στον κατακόρυφο η σχετική ακρίβεια προϊόντων λίαν υψηλής ακρίβειας. Παρατηρείται ότι ο ορισμός αυτός καλύπτει τα μεγάλης αλλά και μικρής κλίμακας αντικείμενα. Σχήμα 1.6 Απόλυτο μέγεθος και σχετική ακρίβεια προϊόντων λίαν υψηλής ακριβείας 8

31 Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου Στο σημείο αυτό κρίνεται σκόπιμο να γίνει ένας διαχωρισμός των κατεργασιών που χαρακτηρίζονται ως κατεργασίες υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας, ο οποίος επιβάλλεται από τις διεθνείς εξελίξεις στα θέματα των κατεργασιών αποβολής υλικού και ακολουθείται από τη σχετική διεθνή βιβλιογραφία. Είναι σύνηθες φαινόμενο οι κατεργασίες που χρησιμοποιούν εργαλειομηχανές, με την κλασική έννοια του όρου, να διαχωρίζονται από τις κατεργασίες, οι οποίες πραγματοποιούνται με άλλες μεθόδους και οι οποίες εφαρμόζονται συνήθως στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και μικροεπεξεργαστών, σαν αυτές που έχουν ήδη αναφερθεί παραπάνω. Στην πρώτη κατηγορία, η οποία αποτελεί το κυρίως θέμα στην παρούσα διατριβή, γίνεται ένας επιπλέον διαχωρισμός για το αν πρόκειται για κατεργασίες αντικειμένων με μεγάλες ή μικρές διαστάσεις. Στην πρώτη περίπτωση, στις μακροκατεργασίες όπως λέγονται και οι οποίες περιλαμβάνουν κλασικές κατεργασίες, όπως η λείανση και η τόρνευση, οι εργαλειομηχανές, και κατ επέκταση οι κατεργασίες και τα αντίστοιχα προϊόντα, χαρακτηρίζονται ως υψηλής ή λίαν υψηλής ακριβείας συγκρινόμενες με τις εργαλειομηχανές που είναι σήμερα διαθέσιμες. Όπως αναφέρεται και στο διάγραμμα του Taniguchi, οι κατεργασίες λίαν υψηλής ακριβείας είναι οι κατεργασίες που μπορούν να επιτύχουν τη μέγιστη ακρίβεια τη δεδομένη χρονική στιγμή. Έτσι, για παράδειγμα, και οι τόρνοι λίαν υψηλής ακριβείας θεωρούνται αυτοί που μπορούν να επιτύχουν τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια από όλους τους τόρνους που υπάρχουν σήμερα στη διεθνή αγορά. Τα όρια που μπορεί να καλυφθούν από μια εργαλειομηχανή λίαν υψηλής ακριβείας, όπως είναι φυσικό, δεν συμπίπτουν με αυτά του διαγράμματος Taniguchi και αυτό συμβαίνει γιατί κατά την κατεργασία διάφοροι παράγοντες, όπως η παραμόρφωση του κατεργαζόμενου τεμαχίου και του εργαλείου, οι κραδασμοί, η θερμική παραμόρφωση και η ακρίβεια των κινήσεων επηρεάζουν την ακρίβεια της κατεργασίας. Το πόσο μικρές κινήσεις πραγματοποιεί μια εργαλειομηχανή και το πόσο ακριβείς είναι αυτές επηρεάζουν γενικότερα την ακρίβεια ολόκληρης της κατεργασίας. Οι πρώτες CNC εργαλειομηχανές, που εμφανίστηκαν περί τα τέλη της δεκαετίας του 70 μπορούσαν να αναπαράγουν κινήσεις της τάξεως των 0,5 μm. Μέχρι τη δεκαετία του 90 το όριο αυτό είχε γίνει 0,05 μm, επιτυγχάνοντας ακρίβεια μορφής της τάξεως του 1μm [8], δηλαδή μείωση μιας τάξης μεγέθους, ενώ σήμερα 9

32 Νικόλαος Ι. Γαλάνης Διδακτορική Διατριβή υπάρχουν εργαλειομηχανές με ακρίβεια κινήσεων 0,01 μm [7]. Βλέπει κανείς ότι, ενώ οι εξελίξεις ακολουθούν από κοντά το διάγραμμα Taniguchi, για τις μακροκατεργασίες τα όρια δεν έχουν επιτευχθεί ακόμη πλήρως. Ακόμη και έτσι, όμως, με τις κατεργασίες αυτές επιτυγχάνονται πολύ καλές τιμές σχετικής ακριβείας. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού περιγράφεται η κατεργασία της τόρνευσης, η οποία αποτελεί τον τρόπο κατασκευής των εμφυτευμάτων ισχίου που παρουσιάζεται σε επόμενα κεφάλαια. Στις παραγράφους που ακολουθούν γίνεται μια σύντομη παρουσίαση της κατεργασίας αυτής και ιδιαίτερα κάποιων σημείων που έχουν να κάνουν με τις ιδιαιτερότητες που παρουσιάζονται όταν εφαρμόζονται ως κατεργασίες ακριβείας. Σκοπός δεν είναι η παρουσίαση όλων των χαρακτηριστικών της τόρνευσης, κάτι τέτοιο ξεφεύγει από τον σκοπό της παρούσας εργασίας. Δίνονται μόνο στοιχεία, τα οποία βοηθούν στην κατανόηση εννοιών, που χρησιμοποιούνται συχνά τόσο στη διατριβή αυτή όσο και στη σχετική βιβλιογραφία για τα θέματα ακριβείας. Σε επόμενο κεφάλαιο παρατίθεται μια παράγραφος που αναφέρεται στις εφαρμογές των κατεργασιών αποβολής υλικού λίαν υψηλής ακριβείας, που είναι πάρα πολλές και σημαντικές και αποτελούν την αιχμή της σημερινής τεχνολογίας. 1.3 Η ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΤΟΡΝΕΥΣΗΣ Η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη εργαλειομηχανή με απλή σημειακή επαφή είναι ο τόρνος. Το προς κατεργασία τεμάχιο προσδένεται στο σφικτήρα τεμαχίων (τσοκ), ο οποίος περιστρέφεται μέσω του μηχανισμού κίνησης της κεφαλής το τόρνου. Το εργαλείο τοποθετείται στον εργαλειοδέτη που έχει τη δυνατότητα να ρυθμίζει τις θέσεις του εργαλείου σε σχέση με το κατεργάσιμο αντικείμενο. Η πρόωση του εργαλείου επιτυγχάνεται με την ολίσθηση του εργαλειοφορείου, όπου είναι τοποθετημένος ο εργαλειοδέτης, στο τραπέζι του τόρνου. Σπουδαίο ρόλο παίζει η στιβαρότητα του όλου συστήματος, ώστε να παραλαμβάνονται οι αναγκαίες δυνάμεις κοπής και να εξασφαλίζεται η χωρίς δονήσεις λειτουργία. Ουσιώδη σημασία για την κοπή έχει η γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου. Ανεξάρτητα από την κατεργασία, το κοπτικό εργαλείο καθορίζεται από ορισμένα χαρακτηριστικά γεωμετρικά μεγέθη, που φαίνονται στο σχήμα 1.7 για το κοπτικό εργαλείο του τόρνου. Σε ένα κοπτικό εργαλείο μπορεί να διακρίνει κανείς δυο κοπτικές πλευρές, την κύρια και τη δευτερεύουσα. Οι τρεις κυριότερες γωνίες του κοπτικού εργαλείου είναι: 10