NACHITECHNICALREPORT
Machining

22A1Vol.

March/2011■ 寄稿・論文・報文・解説

マシニング事業「人にやさしい医療用部品の機械加工」
A Study on the Machining of Artificial Body
Parts that are Gentle to the Human Body
〈キーワード〉高速切削・ヒューマンフレンドリー・医療部品・人工関節
ステム・チタニウム合金・工具損傷・cBN工具

金沢工業大学／工学部／機械工学科
教授

新谷一博

kazuhiro SHINTANI

「人にやさしい医療用部品の機械加工」

要旨

現在日本は老齢人口の急増期を迎え、高齢化により発症する変形性股関節症が急増傾向にある。
これの治療には人工股関節置換術が有効とされているが、長期安定には大腿骨に挿入されるステムの初期固定性が重要といわれている。これを達成するにはカスタムメイドによる髄腔占拠率を高める必要

1. はじめにがある。
本報においては円形挿入法を取り入れたカスタ

2008年22.1%であった65歳以上の人口も2050年

ムメイド設計手法と、難加工材である同部品（チタニには約40％に及ぶと推測されている。このように高ウム合金）の有効加工法としてバインダレスcBN工齢化が進む日本において、加齢が原因で発症する具を用いた高能率加工が有効であることを述べる。

疾患が増加するものと考えられている。その中の一つに関節リウマチや変形性関節症などの関節疾患

Abstract
Presently, Japan is facing the rapid increase of the aged population and the number ofdegenerative hip diseases that develop due toaging is likely to increase dramatically. For atreatment of this disease, Hip Replacement Arthroplasty is known to be effective.
In the hip replacement arthroplasty, aproper fitting of the stem for an artificial hip joint
to the morphology of proximal femoral canal isgenerally effective to the fixation in the initialstage and to the log-term stability in its placement. In addition, it contributes to the reductionof stress placed on the proximal femur.
Since the degree of degeneration of the femur varies among patients, it is important that astem with high fill ratio must be customized forproper fitting. The fill ratio of the stem in theproximal canal with a customizing method that incorporates a circular insertion axis is higher thanthat with a method that incorporates a simplestraight axis.
This in this paper, a designing method thatincorporates a circular insertion axis for customizing a stem is proposed as this enables to improve the fill ratio of the stem to the proximal femoral canal. Moreover, it is stated that a highspeed milling with binder-less PcBN tool is effective for the milling of the stem made of the bio-titanium alloy, Ti-6Al-2Nb-1Ta that is difficult tomachine.
1がある。発症し重症化すると体を支えきれなくなり、（生活の質）も著しく低下させる。図1は変形ＱＯＬ性股関節症を発症した例を示すが、臼蓋−骨頭が大きく変形している。その治療法の一つとしては人とされて工関節による置換手術が有効（図2参照）
1）

いる 。中でも歩行時に体重の4倍程度の大きな荷重を支える股関節は、重要性が高く、特に可動部である骨頭やこれを支えるステムは、荷重負担が大きい。
このためステムが挿入される大腿骨髄腔形態への適合性が重要とされ、これが適切な形状でない場
合には、初期固定性が悪く、ゆるみや局所的な接触による大腿骨の疼痛やがては骨への応力伝達のを生じる。現状のス不良からくる骨吸収（骨の萎縮）
テムは数種類の形状・サイズのものが市販されてはいるが、そのほとんどが輸入品であり、患者の体形や患部に適した形となっているとは言い難い現状にある。そこでこの問題を解消するため、人工股関節ステムのカスタムメイド化が必要となる。

図3はステムのカスタムメイド設計・加工の概念を示すが、患者のＣＴ画像から座標を取り込み、画像化とカスタムメイド設計、医療材料の加工技術向上がこれにあたる。

X線CT装置X線CT画像を基にしたカスタム設計

図1 変形性股関節症正面XRay像（右正常、左末期変形性股関節症）
カスタムメイド製品の迅速加工

図3
図2

人工股間接ステムのカスタムメイド概念

人工股関節挿入術後

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「人にやさしい医療用部品の機械加工」

2. 股関節ステムのカスタムメイド設計
全置換型人工股関節のステムは、図4に示すよう形状が得られる。次に、この演算処理した断面形状された後、皮質に変形した骨頭部が切除（骨切り）

その輪郭曲線群に基をスライス時の座標系に戻し、骨の内面となる髄腔に挿入されるのが一般的である。

づいて面貼り等を行うことにより3次元CADモデル

ステムの適合性はこの髄腔内の断面積中におけるが完成される（図6参照）。

ステム断面積が占める割合（髄腔占拠率）が臨床的

図7は、左脚に重度の変形性股関節症の障害をに用いられ、これが高いステムは固定性が良いとさ有する患者に対し、湾曲形態が異なる患部の左脚2）3）。設計概念は、
この髄腔内占拠率を高と健常部の右脚の両脚について、円形挿入軸によめることと、ステム遠位を強く固定し過ぎると大腿骨る設計を行った結果である。髄腔占拠率を評価した

れている

4）

近位部で骨吸収・ルーズニングを発生する ため、結果、いずれの脚についても55%程度の占拠率が近位髄腔の領域についてのみ形状をフィットさせる得られ、特に障害のある患部においては標準的なことが重要である。

既製品のものに比べて著しく効果が認められた。

設計対象となる患者の大腿骨髄腔形状は、医療用CT装置で撮影された大腿骨CT画像を解析ソフ
さらに実際の手トで髄腔面のCADデータ化を行い、術で行われる骨切線により骨頭頸部の面をトリミングすることで得られる。この大腿骨髄腔は一般に湾曲しているため、大腿骨の長手方向へ単調に直線挿入する設計では髄腔占拠率の向上は望めない。

大転子
ステム30mm

そこで、ステムの挿入経路が図5に示すように髄腔

小転子
近位髄腔
髄腔占拠率の向上
遠位髄腔形態の特徴を反映させた円形となるように設定すると、垂直にスライスした髄腔の断面形状について、上位の断面から下位の断面へ回転・投影することで、皮質骨挿入可能でかつ髄腔占拠率の高いステムの断面
図4 カスタムメイドステムの設計概念

3

挿入軸（円形）

稜線

円形挿入軸
ネック

近位部
（外側）

（前方）

（後方）
遠位部

スライス断面（内側）重心点群 → 円近似

骨軸（a）近位髄腔形態の特徴に基づく円形挿入軸の決定（b）円形挿入軸によるスライス断面形状の抽出

図5（a）
スライス断面の輪郭線抽出

円形挿入軸によるスライス断面の抽出

図6

内側

近位遠位遠位（b）修正処理後の （c）3次元CADモデル
輪郭線

股関節ステムのモデリング

変形性股関節症
（左脚）

健常部
（右脚）

外側

近位

前方（A）健常部（右脚）

後方

後方

前方

内側

外側

（B）患部（左脚）

図7 カスタムメイドステムの設計例NACHI TECHNICAL REPORT

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3. 医療用チタニウム合金の高速切削
人工股関節ステムに用いられる材料は生体適合が少なく、従来のcBN焼結体との比較において、性の観点からチタニウム合金が使用されることが多く、1273Kでの高温硬度で約1.7倍のHV2000、高温曲これまでTi-6Al-4V合金が用いられてきた。
しかし、そげ強度においては約2倍の1.6GPaと極めて高い値の合金に含有されるバナジウム元素が強い細胞毒を示す。また、従来のcBN焼結体の熱伝導率が約性を示すことから、最近ではバナジウムフリーチタニ100W/m･Kであるのに対し、バインダレスcBNでは4カスタムメウム合金が採用されはじめている。一方、倍の約400W/m･Kと改善されている。

イドステムは当然ながら単品受注生産であり、さらに医療部品として患者への供給が急務であることから、迅速に供給できる加工技術の開発が重要な課題で

図8は外科用インプラント材料として用いられているバナジウムフリーTi-6Al-2Nb-1Ta合金（表1参照）ある。

1）チタニウム合金加工に対する最適工具材の選定

52）工具寿命の比較の旋削加工において、これまでチタニウム合金の切削工具として用いられてきた他工具材料とバインダレスcBN工具の逃げ面摩耗寿命を比較した結果でチタニウム合金は切削加工時に刃先が高温となある（切削加工条件は切削速度が4.2m/s、送り速ることや刃先に被削材が凝着しやすいことから難削クーラ
度0.15mm/rev、切り込み量0.5mm）。また、材と位置づけられている。このため他の工業用金ントは冷却性を高めるために水溶性切削液（エマル属材料に比べて極めて非能率的な加工速度が選ジョン型：3 0 倍 希 釈 液 ）を工 具 すくい 面 側 から定されている。チタニウム合金は熱伝導率が低く、30MPaの圧力で供給している。図8より、バインダレ

工具切れ刃への熱蓄積が多くなるため、切れ刃温スcBN工具は工具寿命が3300mと他の工具に比度を低く抑える工夫も必要である。そこで、能率化、べて極めて優れた加工性能を有することが明らか

工具材料特性としての熱伝導性、耐熱性を考慮しである。従来から用いられているCo系バインダ含有7）てバインダレスcBN工具 を採用し、チタニウム合金タイプのcBN焼結体工具は工具寿命が300mと短く、5）6）の高速切削加工を検討 した。バインダレスcBN工

これはバインダ部の熱伝導率が低く切れ刃温度の具材料は7.7GPa、2550Kの高温高圧条件下で上昇が工具寿命に影響を及ぼしたものと考えられる。

hBNからcBNへ直接変換すると同時に焼結する方また、熱伝導率がバインダレスcBN工具と同程度で法により得られる。そのため、cBN粒内への介在物あるダイヤモンド焼結体工具の寿命は1000m程度と

4000

3000

被削材：Ti-6Al-2Nb-1Ta
切削速度：4.2m/s
切込み量：0.5mm
送り速度：0.15mm/rev
加工環境：湿式（30MPa高圧供給）2500

工具寿命判定基準
逃げ面摩耗幅（VB）：0.1mmなったが、これはダイヤモンドの耐熱性が影響を及ぼ

工具寿命m

3500

ダイヤモンド焼結体はしたものと考えられる。つまり、

2000
1500
1000

約600℃程度で炭化するため、切削温度が高温とな500

る高速切削条件では工具寿命の長寿命化が期待0できないと考えられる。以上のようにバインダ相を有超硬合金

しない熱伝導性と熱的安定性に優れている高純度

図8

なcBN焼結体は本材料加工に有効であると考えら

3000

これより高い切削速グが幾つか観察された。一方、

工具寿命

すくい面側に剥離が生じ、刃先には小さなチッピン

工具寿命判定基準
逃げ面摩耗幅：0.1mm（VB）mを調べたものが図9である。図より工具寿命は切削約4.0m/sより低い速度領域では工具の逃げ面やバインダレス
cBN

工具寿命の比較

被削材：Ti-6Al-2Nb-1Ta
切込み量：0.5mm
送り速度：0.15mm/rev
加工環境：湿式（30MPa高圧供給）

ここで、バインダレスcBN工具の切削速度依存性最も長寿命である。工具損傷形態を図10に示すが、ダイヤ焼結体

4000

れる。

速度に対して極値を有し、切削速度4.2m/sの場合

cBN
焼結体

2000

1000

度条件ではすくい面や逃げ面は非常に滑らかな平滑面が観察される。これは、切削熱の影響によって工具と切りくず及び被削材の接触面が熱的反応を生じ、工具劣化が支配的となった結果である。

表101234

切削速度567m/s

図9 バインダレスcBN工具における切削速度と工具寿命の関係
すくい面

すくい面

逃げ面

逃げ面

Ti-6AI-2Nb-1Ta 合金の化学成分と機械的性質
化学成分（mass％）

Al

Nb

TaMo

Ti

ブリネル硬度
HB

引張強度
MPa

伸び％

5.96

2.00

1.06

0.78

Bal.

280912

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22A1（a）切削速度：1.7m/s

図10（b）切削速度：6.0m/s

0.1mm

切削速度の違いによる工具損傷形態の比較

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「人にやさしい医療用部品の機械加工」

3）バインダレスcBN工具の高温反応
バインダレスcBN工具を能率的に有効活用する

耗が生じる。また、工具寿命試験において急速に工ためには、チタニウム合金の高切削速度条件にお具摩耗が進行した切削速度5.0m/sの切れ刃平均

8）ける同工具の摩耗特性を調査する必要がある 。

温度が約780℃であったことから、工具摩耗を抑制

図11は高温反応実験の様子を示したものである。こするための加工条件の指標としては切れ刃温度がの実験は、図11に示すように真空チャンバ内で通780℃以下となる条件が目安となると考えられる。

電と同時に上下方向から荷重を付加することにより、工具―被削材の両試料間に一定圧力を加えながら加熱できるように放電プラズマ焼結装置を利用して荷重行っている。条件は加熱保持時間5時間、接触圧力、30MPa、真空度は10Paとしている。

電極

雰 囲 気 温 度 1 3 0 0℃における反 応 試 料 断 面をグラファイト

EDS線分析した結果を図12に示す。中央付近に縦方向に引かれた右側の線は見かけ上の工具と被セラミックス炭素繊維削材の界面を示し、左側に引かれた線は反応境界

Ti-6Al-2Nb-1Ta材位置を示すものである。図より、工具材料成分である硼素が被削材へ進入している状態が観察される。

直流電源
放射温度計

また、切削後の工具切れ刃についてX線回折法にバインダレスcBN材より生成物を同定した結果においてもTiB2が検出
さらに、図13に示すように雰囲気温度とされている。
反応層の厚みの関係はアレニウスプロットにおいて直線性がみられる。つまり、切削温度の高温領域で

電極
荷重は、工具と被削材の拡散反応によるTiB2の生成がそれによって工具材料が劣化し、工具摩促進され、

7

図11

熱的反応モデル実験の模式図

雰囲気温度：1300℃
SEM像

1700 1600 1500 140050

バインダレスcBN材

雰囲気温度
1300

K

1200

反応層厚み μm10μm

1000

反応時間：5時間
接触圧力：30MPa

10

Ti-6Al-2Nb-1Ta材

1100

51硼素

0.50.60.70.8

1000/T

図130.9K

1.0-1

雰囲気温度と反応層厚みの関係

強度

窒素

アルミ

チタン位

図12

置

反応試料断面のEDS線分析

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「人にやさしい医療用部品の機械加工」

4. 高速ミーリング加工への適用
実際の人工股関節ステムは、多くの自由曲面かして加工面が45°の傾きとなる傾斜切削を行った。

らなるため、この形状作成にはミーリング加工が必

切削油剤は冷却性を重視し、旋削加工実験と同様

要9）10）となる。自由曲面の仕上げ加工は一般に微小切り込み・微小送りの条件下で行われるため、長の水溶性切削液を用い、5MPaの圧力でホルダ内部からすくい面切削部に噴射供給している。

それに伴い加工時間も大な加工パスが必要となり、図15は切削速度8.3m/sの場合の代表的な工具

したがって、このような部品には高速化に増大する。

損傷の状態を示したものであるが、工具逃げ面ではよる加工能率向上が必要不可欠であり、旋削加工

切削初期に逃げ面摩耗幅が10μm程度生じただけで、実験において高速条件優位性を示したバインダレス

しかし、切れ刃稜線のその後の成長は見られない。

cBN工具での高速ミーリング加工を試みた。

すくい面にはマイクロチッピング（図中の黒矢印）が発生し、切削距離が進行するに伴い増加していく

1）高速ミーリングにおける工具損傷傾向を示した。この損傷形態は切削速度条件を変ミーリング加工用工具は、バインダレスcBN材料か更しても同様に観察され、この工具損傷率（有効切らφ8mmの丸駒形状の切削チップを作製し、図14にれ刃長さに対するチッピング長さの割合）は切削距示すように外径20mm, R4mmとするラジアスエンド

これは切削速度が高離に比例的に増加する。また、ミル工具として使用した。表2に加工条件を示すが、いほど大きくなる傾向を示した。

仕上げ加工用として軽切削条件を選定し、切削速度は最大で15.0m/sとした。また、自由曲面の平均

工具ホルダ的な加工状態として図14に示すような工具軸に対切削チップ

表2 ミーリング加工条件
切削速度 V m/s

1.0 , 3.0 , 5.0 , 8.3 , 15.0

切り込み量 dn mm

0.2

ピックフィード Pf mm

0.5

送り速度 Sz mm/刃0.05

切削方向

被削材

ダウンカット

図14 ミーリング加工用工具

すくい面

逃げ面

100μm

10μm

切れ刃稜線

図15 ミーリング加工時のマイクロチッピングの発生（切削速度8.3m/s、切削距離3000m、湿式加工）
92）MQL給油によるチッピングの抑制効果

1000900

ミーリング加工では旋削加工と異なり空転時間が急増することはないと思われるため刃先温度について調査した。切削温度の測定は、被覆絶縁した金属細線を被削材であるチタニウム合金に埋入し、切削過程で短絡する両金属間に発生する熱起電

700

切削温度 ℃あるため、高速領域においても熱的要因で摩耗が拡散反応

旋削加工条件d: 0.5mm
f : 0.15mm/rev
湿式条件（30MPa）

800
600
500

ミーリング加工条件
dn: 0.2mm
Sz: 0.05mm/tooth
Pf: 0.5mm

MQL 給油条件

400

湿式条件（5MPa）300

力を測定することにより切削温度を求めた。図16にその測定結果を示すが、断続加工となるミーリング

200
0.8 0.9 12345 6 7 8 910

加工時の切削温度は、旋削加工に比し（同一速度切削速度条件で）低く、熱的反応による工具摩耗が主因をな

図1６ 加工条件の違いによる切削温度の比較す温度領域に達していないことが明らかである。
し20（Minimum Quantity Lubricant）
給油条件（20cc/hour）
についても加工実験を行い、湿式条件とMQL給油11）条件の両者における工具損傷速度の比較 を示したものが図17である。工具損傷速度は、工具損傷

工具損傷速度そこで、植 物 性オイルを霧 状に噴 霧するM Q L%/km

ミーリング加工では、冷却効果より潤滑効たがって、果を作用すればよいものと考えられる。

20m/s

ミーリング加工条件
dn: 0.2mm
Sz: 0.05mm/tooth
Pf : 0.5mm

15

湿式条件（5MPa）

105MQL 給油条件率を切削距離で除したものと定義し、工具損傷のしやすさを表す指標として用いた。いずれの方式においても切削速度（切削温度）の上昇とともに工具損傷速度が高まる傾向にあるが、同一速度条件にお00510

切削速度1520m/s

図17 切削油剤供給条件の違いによる工具損傷率の比較

いてMQL給油条件は湿式条件に比べ、工具損傷速度が著しく抑えられており、切削速度15.0m/sに高速ミー
おいても十分な性能が得られた。このように、リング加工においてはMQL給油条件が効果的である。
これは図16に追記したMQL給油条件でも刃先温度は低く旋削ほど冷却が必要ではないことからも立証できる。
図18 ステムのミーリングの様子

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5. まとめ
本報では股関節ステムのカスタム設計したモデル不可欠であると言える。これの障害は加工条件のについて、バインダレスcBN工具の優位性と高速ミー不明瞭化や能率の低さであり、これら障壁をとり除くリング加工の可能性を調査し、この結果を基に図18ことにより人にやさしい医療部品が供給されるものとに示すようなカスタムメイド加工を試みたが、製品は考えられる。現在、医療現場では3次元X線CT、MRI、正常な面性状であり、工具損傷の観点からも問題PETそしてMEGなど人体計測技術の進歩が目覚まの無いことが確認された。

これらの活用と日本が得意なものづくりとの融しく、人体は本来個体差があり、人工骨との置換術が必要な患者にとって医療部品のカスタムメイド化は合が、さらなる高度医療技術発展につながるものと期待される。

参考文献
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2）廣崎憲一・新谷一博・兼氏歩：人工股関節ステムのカスタムメイド設計手法の開発、精密工学会誌.（Vol.74,No.3に掲載予定）
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品の切削加工における基礎的研究−医療用チタニウム合金におけるバインダレスcBN工具の有効性−、砥粒加工学会誌、48,3（2004）153．
6）K.Hirosaki, K.Shintani, H.Kato, F.Asakura, K.MATSUO：High Speed
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JSME International Journal, Series C,47,1（2004）14．

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.22A1 March / 2011〈発7）角谷均・上坂伸哉：高純度cBN多結晶体の高圧合成とその特徴。
NEW DIAMOND、15,4（2000）14．
8）廣崎憲一・新谷一博・兼氏歩：生体用チタニウム合金の高速切削加工に関する研究−バインダレスcBN工具の工具摩耗形態と摩耗機構−精密工学
会誌、72,2（2006）219．
9）加藤秀治・廣崎憲一・松尾和哉・新谷一博・兼氏歩：ヒューマンフレンドリーな医療用部品の切削加工における基礎的研究−ミーリング加工を対象とした医療用チタニウム合金製人工股関節の成形−砥粒加工学会誌、
48,7（2004）392．
10）廣崎憲一・新谷一博・加藤秀治・兼氏歩：バインダレスcBN工具を用いた生体用チタニウム合金の高速ミーリング加工−β型合金の加工における工具逃げ面損傷機構−、精密工学会誌、72,11（2006）1397．
11）廣崎憲一・新谷一博・加藤秀治・兼氏歩：バインダレスcBN工具を用いた生体用チタニウム合金の高速ミーリング加工−MQL給油条件における工具損傷形態と工具寿命−、2006年度精密工学会秋季大会学術講演会
講演論文集、427．

行〉 2011年3月10日
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