賴春明，李培，譚海林

湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南株洲 412000

鎂合金的密度小，約為鋁合金的66.7%，鐵合金的20%；比強(qiáng)度高，且對(duì)沖擊、振動(dòng)和電磁波等的吸收能力強(qiáng)；導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性好；生物相容性好，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、汽車與軌道交通、航空航天以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具有良好的潛在發(fā)展空間[1]。其中Mg-Mn系合金以其良好的生物相容性和耐蝕性，成為重要的醫(yī)用鎂合金，在心血管支架、骨植入材料等醫(yī)用材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2，3]。

鎂合金在金屬材料中是最容易加工的材料之一，主要表現(xiàn)為切削阻抗小，其切削力僅為鋼的1/6、鋁的1/2左右[4，5]。但是鎂合金材料加工時(shí)也存在容易發(fā)生變形，熱膨脹大，收縮率高，著火點(diǎn)低以及化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等問題，切削加工時(shí)要注意控制[6，7]。此外，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)材料而言，耐蝕性是決定其使用性能的關(guān)鍵因素，而耐蝕性除了與材料本身的化學(xué)特性相關(guān)之外，還與材料的表面狀態(tài)密切相關(guān)[8]，表面粗糙度值低、表面質(zhì)量好，則有利于提升其耐蝕性。為了滿足鎂合金零件在生物醫(yī)學(xué)中的要求，鎂合金在切削加工時(shí)尤其要注意表面粗糙度的控制[9]。表面粗糙度不僅影響其外在美觀，而且對(duì)零部件的耐磨性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度及尺寸精度等有很大的影響。

本文對(duì)Mg-1.0Mn醫(yī)用鎂合金銑削過程中的加工條件進(jìn)行工藝驗(yàn)證：設(shè)置不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度；為了確定隨切削深度變化的表面粗糙度，采用Minitab軟件建立試驗(yàn)條件，并利用試驗(yàn)計(jì)劃法進(jìn)行定量分析，以選擇端銑刀的最佳加工條件。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為O態(tài)的Mg-1.0Mn醫(yī)用鎂合金板材，厚度為15mm，其力學(xué)性能見表1。通過線切割在板材中切割25mm（長(zhǎng)）×15mm（寬）×38mm（高）的銑削試樣。銑削加工采用φ10m m×75m m整體式硬質(zhì)合金直柄平頭銑刀，其中切削部分長(zhǎng)度為27m m，螺旋角為45°。加工使用的機(jī)床是沈陽(yáng)第一機(jī)床制造有限公司的V M C850立式加工中心，其主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r/min，工作臺(tái)尺寸為500mm×1000mm。試樣的銑削加工及其表面粗糙度測(cè)量如圖1所示，其中試樣的裝夾及加工方向如圖1a所示。加工完成后，采用便攜式高精度金屬材料表面粗糙度測(cè)試儀對(duì)其加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

圖1 試樣的銑削加工及表面粗糙度測(cè)量

表1 Mg-1.0Mn醫(yī)用鎂合金的力學(xué)性能

銑削加工后零件的表面粗糙度與加工參數(shù)密切相關(guān)，具體包括工件材質(zhì)、切削速度、進(jìn)給速度、切削深度、刀具材質(zhì)及幾何角度、切削液等。結(jié)合實(shí)際加工條件與要求，選擇對(duì)表面粗糙度影響較大的4個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，分別為主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度。結(jié)合工件的材質(zhì)特點(diǎn)以及所使用刀具和加工中心的允許范圍，每個(gè)參數(shù)設(shè)定3個(gè)數(shù)值水平，按照L9（34）正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案見表2。為減少試驗(yàn)誤差，每組參數(shù)進(jìn)行3次加工與測(cè)量。

表2 銑削加工參數(shù)的L9（34）正交試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

表3給出了采用不同銑削參數(shù)進(jìn)行加工后測(cè)得的試樣表面粗糙度值。可以看出，所有試驗(yàn)條件下進(jìn)行的3次平行重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果偏差不大，試驗(yàn)結(jié)果未受到其他環(huán)境、設(shè)備或刀具因素的影響。取3次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該組加工參數(shù)的結(jié)果，采用Minitab數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行均值和方差分析，得到表面粗糙度值Ra均值響應(yīng)表（見表4）。圖2為根據(jù)表4的均值分析結(jié)果生成的各個(gè)銑削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量影響的主效應(yīng)圖。

圖2 銑削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量影響的主效應(yīng)圖

表3 不同銑削加工參數(shù)下獲得的表面粗糙度值（單位：μm）

表4 表面粗糙度值Ra均值響應(yīng)表 （單位：μm）

根據(jù)表4的方差分析結(jié)果以及圖2可以看出，不同參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響程度有明顯差異。銑削加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響程度的順序?yàn)椋哼M(jìn)給速度＞主軸轉(zhuǎn)速＞銑削深度＞銑削寬度，即進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響最大，銑削寬度的影響最小。且不同參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律也各不相同，主軸轉(zhuǎn)速最高（6360r/min）時(shí)可獲得最低的表面粗糙度值，且轉(zhuǎn)速越低，表面粗糙度值越高；而進(jìn)給速度在最低（700mm/min）時(shí)可獲得最低的表面粗糙度值，隨著進(jìn)給速度的增加，表面粗糙度值相應(yīng)增加；隨著銑削深度增加，表面粗糙度值先降低然后再增加，表面粗糙度值在銑削深度為20mm時(shí)出現(xiàn)一個(gè)谷值；而銑削寬度增加時(shí)，表面粗糙度值幾乎沒有變化，僅是小幅度地增加。

3.2 工藝參數(shù)的優(yōu)化

表面粗糙度值越低，表面質(zhì)量越好，根據(jù)表4和圖2正交試驗(yàn)的均值和方差分析結(jié)果可以確定，獲得最佳表面質(zhì)量的加工條件應(yīng)為：主軸轉(zhuǎn)速6360r/min，進(jìn)給速度700mm/min，銑削深度20mm，銑削寬度0.5m m。選定的最佳加工條件參數(shù)水平組合為3-1-2-1，由于未在表2所示的正交試驗(yàn)表中出現(xiàn)，因此該條件是預(yù)測(cè)結(jié)果。為了得到切削加工參數(shù)的最佳組合，采用最佳加工參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，測(cè)得的試樣表面粗糙度值見表5，Ra平均值為0.14μm，與表3中的所有試驗(yàn)結(jié)果相比均有所改善。

表5 最佳切削加工參數(shù)下獲得的表面粗糙度值（單位：μm）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合Mg-1.0Mn醫(yī)用鎂合金銑削加工條件，對(duì)表面粗糙度影響較大的4個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)和定量分析。通過試驗(yàn)結(jié)果和工藝參數(shù)的優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

1）不同銑削加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律和影響程度各有不同，銑削加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響程度的順序?yàn)椋哼M(jìn)給速度＞主軸轉(zhuǎn)速＞銑削深度＞銑削寬度。進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響最大；銑削寬度變化時(shí)，表面粗糙度幾乎不受影響。

2）獲得最佳表面質(zhì)量的加工條件為主軸轉(zhuǎn)速6360r/m i n，進(jìn)給速度700m m/m i n，銑削深度20mm，銑削寬度0.5mm。此參數(shù)下表面粗糙度值Ra平均值為0.14μm，滿足設(shè)計(jì)要求。

專家點(diǎn)評(píng)

醫(yī)用鎂合金零件的表面粗糙度與銑削加工參數(shù)密切相關(guān)。作者結(jié)合實(shí)際加工條件，針對(duì)對(duì)表面粗糙度影響較大的4個(gè)工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度）進(jìn)行定量分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為每個(gè)參數(shù)設(shè)定3個(gè)數(shù)值進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果得出正確的結(jié)論。

文章的亮點(diǎn)是鎂合金銑削加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度分析和控制措施，通過切削試驗(yàn)確定加工參數(shù)的最佳組合，提高了零件表面質(zhì)量，具有一定的實(shí)用價(jià)值。