王俊青，趙文銳，孫碩，孫大平，趙東

1北京城市學(xué)院信息學(xué)部；2北京城市學(xué)院資源辦；3北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院

1 引言

鈦合金作為一種稀有金屬，因具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥、化工機(jī)械等領(lǐng)域，尤其是在醫(yī)療器械等行業(yè)，鈦合金因無磁性、無毒和良好的生物相容性而應(yīng)用更為廣泛[1]。但鈦合金加工性能較差，尤其在進(jìn)行銑削、鉆削、鏜孔和螺紋加工時效率很低，很大程度上制約了鈦合金產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

鈦合金椎間融合器在椎間融合術(shù)中被普遍使用，椎間融合器通過撐開椎間隙，恢復(fù)纖維環(huán)、脊柱前后縱韌帶、肌肉及關(guān)節(jié)囊的張力，形成“撐開-壓縮張力帶”效應(yīng)，使脊柱獲得即刻穩(wěn)定，為植骨融合、重建脊柱序列創(chuàng)造條件[2]。該零件形狀為薄壁圓筒多孔零件(見圖1和圖2)，表面均布網(wǎng)格狀方孔，零件剛性差。

圖1 椎間融合器零件

圖2 椎間融合器模型

本文針對鈦合金材料的加工特點(diǎn)，以鈦合金椎間融合器為研究對象，基于零件的結(jié)構(gòu)特征，制定裝夾方式和加工工藝路線，通過仿真試驗(yàn)分析零件加工變形結(jié)果，優(yōu)化加工走刀路徑，從而解決鈦合金薄壁孔加工中的難題。

2 鈦合金椎間融合器的加工工藝分析

2.1 加工特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

加工鈦合金時，剪切角很大，切屑變形系數(shù)接近于1(即切屑變形小)，單位切削力大，導(dǎo)致刀具損耗加大。鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，在高溫下易與大氣中的氧、氮等元素化合，生成硬脆的物質(zhì)，造成刀具黏結(jié)，產(chǎn)生“咬刀”現(xiàn)象[3]。加工鈦合金材料時，已加工表面經(jīng)常出現(xiàn)硬而脆的外皮，給后續(xù)加工工序帶來困難。鈦合金材料彈性模量小，已加工表面回彈量大，從而加劇了與后刀面的摩擦，容易引起切削振顫[4]。

本文所加工的鈦合金椎間融合器為薄壁結(jié)構(gòu)，剛性差，容易產(chǎn)生切削振動，在加工過程中讓刀、切削變形現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響切削效率和加工表面質(zhì)量。

2.2 工藝分析

(1)切削刀具選擇

鈦合金硬度高、強(qiáng)度高，在切削過程中切屑很容易黏接熔結(jié)在刀尖刀刃附近，或形成積屑瘤，在刀尖附近的前后刀面上形成高溫區(qū)，導(dǎo)致刀具喪失紅硬性，磨損加劇。加工鈦合金時，一般刀具材料損傷很快，使用壽命極短[5]。同時，為避免刀具與工件中的鈦元素發(fā)生親和，不宜使用YT類硬質(zhì)合金刀具，而建議用YG類、YH類硬質(zhì)合金刀具。鈦合金回彈量大，當(dāng)?shù)都饨佑|工件時，刀尖與工件接觸面積增大，刀尖受力增大，容易造成刀尖磨損或破損，因此宜選用較大后角(α0=10°～15°)的刀具，以減小對后刀面的摩擦。同時，為了提高切削刃強(qiáng)度和散熱條件，刀具也應(yīng)具有較小的前角(γ0=5°～10°)[6]。鈦合金的強(qiáng)度高，黏性大，切削中更容易在切削區(qū)產(chǎn)生和積聚熱量，加之導(dǎo)熱性差，在進(jìn)行大切除量切削時，易引起燃燒，故加工鈦合金工件時，切削速度vc不宜過高，一般為40～50m/min，并適當(dāng)加大切削深度與進(jìn)給量[7]。

刀具涂層技術(shù)是提高鈦合金加工刀具切削性能和效率的有效途徑。為了更好地解決難加工材料的加工問題，材料學(xué)家開發(fā)了許多新的涂層牌號[5]。比如Miracle涂層實(shí)際上就是以特殊專業(yè)技術(shù)涂覆的(AlTi)N涂層膜，切削時涂層膜中的鋁被氧化，形成了穩(wěn)定的氧化鋁保護(hù)膜，具有優(yōu)異的耐熱性。表1為幾種刀具材料性價比[8]。

表1 加工鈦合金的幾種刀具材料性價比

在本零件加工中，立銑刀選用Miracle涂層硬質(zhì)合金刀具，刀柄為φ6mm，刀頭為φ2mm。銑削時，刀具上的切削力會分散到每條刀刃上，刀刃數(shù)越多，每條刀刃上的力就越小。但刀刃過多會導(dǎo)致容屑槽空間減小，影響排屑。綜合這兩方面因素，選用雙刃銑刀?？紤]硬質(zhì)合金銑刀在切入時沖擊力大，加之硬質(zhì)合金材料脆性大、強(qiáng)度低，因此刀具前角不宜過大，這里銑刀前角取10°[9]。

(2)夾具設(shè)計

椎間融合器為薄壁多孔圓筒零件，事先利用數(shù)控車床完成圓筒的加工(見圖3)。然后利用加工中心完成表面方孔的銑削加工，本文主要探討裝夾方式。

圖3 椎間融合器圓筒

椎間融合器在進(jìn)行裝夾時，應(yīng)避免裝夾變形，故采用軸向夾緊方式進(jìn)行裝夾，為此設(shè)計制作了專用工裝夾具(見圖4和圖5)。該夾具整體為一臺階軸，小端直徑比椎間融合器內(nèi)孔小0.5mm，以便安裝。利用電火花線切割在夾具中間切出2mm窄縫和一個φ5.8mm彈性孔，利用調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)窄縫大小而產(chǎn)生張力，使融合器圓筒的一端被固定在夾具小端處，并利用軸肩定位(見圖6)，考慮該零件為細(xì)長薄壁零件，故采用如圖7所示的“一夾一頂”裝夾方式，即夾具安裝在加工中心的四軸卡盤上，同時利用頂尖頂住融合器圓筒的另一端。整個融合器圓筒的實(shí)際裝夾情況見圖8。

圖4 工裝設(shè)計

圖5 工裝建模

圖6 融合器裝夾建模

圖7 融合器圓筒安裝建模

圖8 融合器圓筒安裝實(shí)物

3 數(shù)控加工關(guān)鍵工藝控制

3.1 選擇銑削方式和走刀路徑

鈦合金椎間融合器作為薄壁零件，主要依靠表面的網(wǎng)格狀方孔連接，對孔加工精度的要求較高。且鈦合金屬于難加工材料，加之薄壁零件剛度低，銑削時容易發(fā)生振動和變形。故本節(jié)主要討論切削過程中銑刀的下刀位置和走刀路徑對零件加工精度的影響。

該零件為薄壁圓筒，采用順銑的走刀方式加工零件表面的方孔。在其圓柱面上銑削方孔的切削量并不大，方孔呈網(wǎng)格狀分布，需要考慮變形問題，因此采用徑向分層切削加工，沿壁厚方向每次切深0.5mm。為避免刀具在某一點(diǎn)多次停頓，切削時采用圓弧切入和圓弧切出的方法?？紤]鈦合金的“親和性”，在切削過程中，刀具應(yīng)連續(xù)切削，不可停頓，切削結(jié)束立刻退刀，防止形成堅硬的氧化層而加劇刀具磨損。

走刀路徑的選擇對提高鈦合金零件加工精度有重要影響，合理的走刀路徑有利于材料被均勻切除，保持零件剛度的均衡性，均勻釋放殘余應(yīng)力。對薄壁結(jié)構(gòu)零件，應(yīng)選擇合適的走刀路徑，以提高加工精度。通常采用“吃水線”走刀方式，即從薄壁或筋板兩側(cè)交互走刀進(jìn)行切削，保證零件在加工過程中受到均衡的支撐，提高零件剛度，保證加工精度[5]。

3.2 有限元分析

該零件圓柱表面均布方形孔，可以利用四軸加工中心完成加工。根據(jù)加工中心編程及工藝特點(diǎn)，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)，選擇橫向走刀、縱向走刀和螺旋走刀三種走刀路徑進(jìn)行方孔切削分析，三種走刀路徑切削模型見圖9。

(a)橫向走刀

(1)橫向走刀：利用加工中心四軸旋轉(zhuǎn)分度，沿圓周方向切削一圈后，再沿零件軸線方向移動一個孔位，重復(fù)上述切削步驟直至加工完成。

(2)縱向走刀：沿零件軸線方向切削完成后，加工中心四軸旋轉(zhuǎn)分度，轉(zhuǎn)過一個孔位后，重復(fù)上述切削步驟直至加工完成。

(3)螺旋切削：利用加工中心四軸與工作臺聯(lián)動，沿螺旋線切削直至加工完成。

本文主要利用SolidWorks Simulation有限元分析模塊分析在三種不同走刀路徑(橫向走刀、縱向走刀和螺旋走刀)下，對比椎間融合器應(yīng)力、位移以及應(yīng)變的運(yùn)算結(jié)果得出結(jié)論，為合理選擇走刀路徑及提高零件加工精度提供依據(jù)。

3.2.1 建立仿真模型

在銑刀切削力一定的前提下，不同的走刀路徑會使其在“一夾一頂”的裝夾方式下發(fā)生不同的變形。采用SolidWorks Simulation中默認(rèn)的全局接觸，即剛性連接。因此，在仿真分析時，僅討論不同走刀路徑對零件應(yīng)力、位移和應(yīng)變的影響。根據(jù)表2建立不同走刀路徑下的仿真模型，采用實(shí)體網(wǎng)格類型，劃分零件網(wǎng)格模型。

表2 三種走刀路徑下零件模型網(wǎng)格

3.2.2 模型運(yùn)算分析

(1)應(yīng)力對比

通過模型運(yùn)算分別得出在三種不同走刀路徑下零件的應(yīng)力分布情況(見表3)。運(yùn)算結(jié)果表明，橫向走刀時，應(yīng)力主要均勻分布在零件的圓周面上，靠近夾具處顏色稍深，最大應(yīng)力為5.987×105N/m2；縱向走刀時，應(yīng)力沿軸線方向分布在零件表面，靠近頂尖處顏色稍深，最大應(yīng)力為7.319×105N/m2；螺旋走刀時，應(yīng)力沿螺旋線分布在零件表面，靠近夾具處顏色稍深，最大應(yīng)力為1.484×106N/m2。通過對比分析可知，采用橫向走刀時，零件所受應(yīng)力最小。

表3 三種走刀路徑下零件應(yīng)力分布情況

(2)位移對比

通過模型運(yùn)算得出在三種不同走刀路徑下零件位移分布情況(見表4)。運(yùn)算結(jié)果表明，橫向走刀時，零件上面顏色較深，位移主要分布在上表面靠近夾具側(cè)1/3處，最大位移為6.897×10-5mm；縱向走刀時，零件上表面顏色稍深，位移分布在上表面靠近頂尖側(cè)1/3處，最大位移為1.227×10-4mm；螺旋走刀時，零件上表面顏色略深，位移分布在上表面，大約在零件中間位置，最大位移為1.710×10-4mm。通過對比，分析出橫向走刀時零件最大位移最小。

表4 三種走刀路徑下零件位移分布情況

(3)應(yīng)變對比

通過模型運(yùn)算得出在三種不同走刀路徑下零件應(yīng)變的分布情況(見表5)。運(yùn)算結(jié)果表明，橫向走刀時，零件上表面顏色略深，應(yīng)變主要分布在零件上表面靠近夾具側(cè)1/3處，最大應(yīng)變?yōu)?.951×10-6；縱向走刀時，零件靠近頂尖側(cè)1/3處顏色稍深，應(yīng)變主要分布在零件圓周表面，最大應(yīng)變?yōu)?.373×10-6；螺旋走刀時，零件中部顏色微深，應(yīng)變主要分布在零件上表面，最大應(yīng)變?yōu)?.338×10-6。通過對比分析，橫向走刀時零件應(yīng)變值最小。

表5 三種走刀路徑下零件應(yīng)變分布情況

(4)變形形狀對比

通過模型運(yùn)算得出在三種不同走刀路徑下零件變形形狀對比(見圖10)。顯然，采用橫向走刀時的零件變形遠(yuǎn)小于采用縱向走刀和螺旋走刀時的零件變形。

(a)橫向走刀

由上述模型運(yùn)算的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分析可以得出：在橫向走刀路徑下，零件的最大應(yīng)力、最大位移和最大應(yīng)變均比縱向走刀和螺旋走刀路徑小，因此，選擇橫向走刀路徑進(jìn)行零件方孔加工。

3.3 編程加工

將椎間融合器模型導(dǎo)入CAXA制造工程師2016軟件，利用四軸加工工具設(shè)置機(jī)床、刀具和切削參數(shù)，進(jìn)行加工仿真，生成刀具軌跡。切削方式選用分層切削方式，每次切深0.5mm，銑刀轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給速度200mm/min。由于方形孔尺寸較小且有圓弧拐角，還應(yīng)考慮刀具在運(yùn)動中的進(jìn)入路徑、切削路徑和退出路徑與工件可能發(fā)生干涉的部位，以免發(fā)生過切。

仿真校驗(yàn)無誤后，根據(jù)配有FANUC數(shù)控系統(tǒng)的友佳四軸加工中心進(jìn)行后置處理設(shè)置，生成刀具加工G代碼程序。

加工G代碼程序如下：(由于程序數(shù)據(jù)很大，這里僅列出部分程序)

%

O0001；

G54；

S3000 M3；

G0 G90 G17；

M08；

G00X-98.838Y0.983Z10.500；

Z10.50；

G01Z8.020F200；

X-98.881Y1.005Z8.016F200；

X-98.929Z8.012；

X-98.972Y0.983Z8.007；

X-100.063Y-0.000Z7.879；

X-98.972Y-0.983Z7.750；

X-98.929Y-1.005Z7.746；

X-98.881Z7.742；

…………；

X-1.749Y1.064；

X-1.949Y0.841；

G00Z100.500；

G91G28Y0；

M05；

M30；

%

將生成的G代碼通過計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口導(dǎo)入加工中心機(jī)床后進(jìn)行鈦合金椎間融合器的加工，圖11為加工現(xiàn)場。

圖11 椎間融合器加工現(xiàn)場

4 結(jié)語

本文以鈦合金椎間融合器為研究對象，結(jié)合鈦合金材料的特點(diǎn)和加工特性，確定涂層硬質(zhì)合金切削刀具選用，設(shè)計制造了專用工裝夾具。采用SolidWorks Simulation有限元分析模塊對采用橫向、縱向和螺旋走刀路徑切削時零件的應(yīng)力、位移和應(yīng)變進(jìn)行分析比較，確定選用橫向走刀路徑進(jìn)行零件的方孔切削加工，零件加工的實(shí)際效果比較理想。