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        銑削工藝參數(shù)對(duì)醫(yī)用鎂合金表面質(zhì)量的影響及其優(yōu)化

        2023-11-24 14:28:10賴春明李培譚海林
        金屬加工(冷加工) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:表面質(zhì)量鎂合金粗糙度

        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(wèn)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(guò)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(jiàn)表1。通過(guò)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(jiàn)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??梢钥闯?,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(jiàn)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(méi)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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。

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