羥磷灰石(HAP)銑削加工實(shí)驗(yàn)研究

雍耀維

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021)

隨著現(xiàn)代加工、醫(yī)學(xué)以及材料技術(shù)的發(fā)展，具有力學(xué)性能相容性和生物活性的人體替代材料越來越受到人類的關(guān)注，且越來越廣泛地應(yīng)用到人體組織的修復(fù)。每年全世界有上百萬的人受到骨組織以及骨關(guān)節(jié)問題或疾病的困擾，有報(bào)道[1]稱:在發(fā)展中國家，50歲以上人群中有一半的慢性疾病為骨組織或關(guān)節(jié)疾病。一般情況下，當(dāng)骨組織/關(guān)節(jié)發(fā)生病變時(shí)，通常都需進(jìn)行骨移植治療。因此，就要求替代材料是具有生活活性、與骨組織成分相似且具有良好的力學(xué)性能的功能性材料。羥磷灰石滿足這種特性要求。

羥磷灰石(分子式寫作Ca10(PO4)6(OH)2)是一種生物活性材料，屬于生物陶瓷材料同時(shí)又是復(fù)合材料，與人體中硬組織例如骨、牙齒等結(jié)構(gòu)成分相同，且易于與人體組織相容，直接結(jié)合[2－3]，所以被廣泛應(yīng)用在骨體移植和牙修復(fù)領(lǐng)域。通常應(yīng)用羥磷灰石的方法有兩種:第一種為涂層(Coating)應(yīng)用[4]，即把該材料作為涂層涂鍍?cè)谄渌饘俨牧媳砻妫源藖韽浹a(bǔ)由于磷灰石材料本身力學(xué)性能的不足之處，同時(shí)也可以防止金屬材料與骨頭不能結(jié)合產(chǎn)生的惰性，這樣可以充分利用金屬材料優(yōu)良的力學(xué)性能和HAP優(yōu)異的生物相容性和生物活性，提高骨組織的內(nèi)成長能力;并減少了對(duì)人體釋放的金屬離子數(shù)目，也防止了體液對(duì)金屬的腐蝕作用[5]。常被涂鍍的金屬材料有鈦合金、不銹鋼等。當(dāng)然，應(yīng)用領(lǐng)域不同，被涂鍍的材料不僅限于金屬材料，例如有很多的復(fù)合材料被涂鍍。第二種應(yīng)用即作為填充材料 (Filler)使用，HAP以固態(tài)形式對(duì)缺損部分進(jìn)行填充或者對(duì)某部分進(jìn)行支撐[6]。

在涂層技術(shù)中，已有相對(duì)成熟的方法，但以固態(tài)形式存在的HAP材料往往由于本身力學(xué)性能的制約，其加工有一定的技術(shù)難度。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明:傳統(tǒng)的固態(tài)HAP 通過模具壓制并考察其各種力學(xué)性能[7]或生物活性等性能，但仍然不可避免要考慮最終的尺寸和幾何精度，而且隨著社會(huì)以及技術(shù)的進(jìn)步，個(gè)性化需求日程趨勢(shì)，造成模具成本往往較高[8]。所以有必要對(duì)HAP材料的機(jī)械加工特性進(jìn)行研究，從而達(dá)到縮減制造周期、降低生產(chǎn)成本的目的。最近也有學(xué)者[9]研究了微細(xì)HA材料的加工，考察在微細(xì)加工環(huán)境下的加工模式，至于機(jī)械加工如銑削加工則鮮有報(bào)道。

文中主要針對(duì)固態(tài)納米HAP材料進(jìn)行銑削加工(由美國Pioneer Surgical Technologies (PST)提供)，考察最終表面質(zhì)量與加工參數(shù)之間的關(guān)系。通過機(jī)械銑削實(shí)驗(yàn)，調(diào)整切削參數(shù)如加工速度、進(jìn)給量和切削深度來觀察加工后的表面形貌以及刀具磨耗狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用的工件為美國先鋒公司提供的nHAP 圓形工件，厚度為10 mm，直徑為35 mm，具體的力學(xué)參數(shù)見表1，其密度為3 160 kg/m3。nHAP 納米羥磷灰石在力學(xué)性能上有很大提高，具體對(duì)比見表2。nHAP粒子的大小一般為1～100 nm，所以具有溶解度較高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，因而具有更好的生物活性，相應(yīng)的力學(xué)性能如扭轉(zhuǎn)、拉伸、疲勞抗力有所提高[10]。

表1 納米HAP機(jī)械性能(由PST 公司提供)

表2 HAP與nHAP 及其他材料性能對(duì)比(由PST 公司提供)

在實(shí)驗(yàn)過程中，采用高精度數(shù)控銑床，干式切削，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)20 000 r/min。在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)零件表面進(jìn)行研磨，然后安裝在夾具中，并用千分表進(jìn)行表面水平測(cè)試。刀具采用美國肯納公司螺旋角為30°的雙刃碳化鎢立銑刀 (Kennametal HEC 125S2025 K600)，直徑3 mm。

加工后表面通過表面粗糙度儀 (型號(hào)Mitutoyo SJ-4000)測(cè)試，每次測(cè)量加工面3次取平均值，并通過光學(xué)顯微鏡觀察其表面形貌。

由于nHAP材料屬于生物陶瓷材料，所以具有陶瓷材料具有的脆性。HAP材料的機(jī)械加工特性在傳統(tǒng)加工參數(shù)內(nèi)較差，所以要取得較好的加工效果，應(yīng)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)加工類似脆性材料特性的玻璃類材料[11]選定參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終取加工參數(shù)見表3。

表3 銑削加工參數(shù)

2 結(jié)果與討論

在此次研究過程中，對(duì)加工后的表面形貌、刀具磨損以及切屑顆粒進(jìn)行整理分析，以此來分析nHAP的銑削加工特性。表面的微觀裂紋以及表面狀態(tài)對(duì)最終的形貌有較大影響，采用高倍顯微鏡觀察;切屑顆粒有助于理解HAP材料的表面形成，也有利于建立表面形貌及材料結(jié)構(gòu)之間的紐帶橋梁;而對(duì)刀具損耗的分析則對(duì)刀具選擇有著重要的指導(dǎo)意義，選擇正確合理的刀具有助于提高加工效率以及加工特性，同時(shí)可以降低加工中產(chǎn)生的損耗從而達(dá)到降低加工成本的目的。

2.1 表面粗糙度

表面粗糙度Ra 通過表面粗糙度儀(型號(hào)Mitutoyo SJ-4000)測(cè)量。圖1是測(cè)試切削速度為170 m/min、進(jìn)給為0.002 mm/齒、切深為0.1 mm時(shí)表面形貌，圖2表示了在切削速度為100 m/min時(shí)在不同切削深度和不同進(jìn)給速度時(shí)的表面粗糙度，圖3表示了切削速度為170 m/min時(shí)對(duì)應(yīng)的粗糙度。

圖1 切削速度為170 m/min，進(jìn)給為0.002 mm/齒，切深為0.1 mm時(shí)表面形貌

圖2 切削速度為100 m/min 對(duì)應(yīng)表面粗糙度

圖3 切削速度為170 m/min 對(duì)應(yīng)表面粗糙度

從圖2中發(fā)現(xiàn):隨著切削深度增大，其表面粗糙度呈減小趨勢(shì);當(dāng)切削深度從0.1 mm 增加至0.2 mm時(shí)，表面質(zhì)量會(huì)明顯提高，而進(jìn)一步增加切削深度，會(huì)呈現(xiàn)出表面粗糙度提高趨勢(shì)減緩或者反彈。從圖3中也可以觀察出類似結(jié)果，但是在進(jìn)給速度為0.002 mm/齒時(shí)呈現(xiàn)出表面粗糙度增加的趨勢(shì)。對(duì)比圖2以及圖3:當(dāng)切削深度從0.1 mm 至0.2 mm時(shí)，表面粗糙度都會(huì)減小;由于HAP材料為脆性材料，在材料被切除時(shí)，切削過程和塑性材料不同，材料一般會(huì)在力的作用下直接發(fā)生斷裂。如果切削深度很小，材料很容易發(fā)生斷裂，且與周邊材料之間的擠壓力較小，切屑呈大顆粒狀，因此，產(chǎn)生的表面加工坑較大，表面粗糙度會(huì)很大。當(dāng)?shù)黾忧邢魃疃龋敲粗苓叢牧蠈?duì)即將被切除的材料呈現(xiàn)較大的擠壓力，因此產(chǎn)生的切屑不會(huì)增大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的表面質(zhì)量有所提高;進(jìn)一步提高切削深度，隨著進(jìn)給速度和切削速度的變化，表面質(zhì)量也出現(xiàn)不同的變化，但總體仍然呈下降趨勢(shì)。

對(duì)比圖2和圖3，高速進(jìn)給伴隨較大的粗糙度，當(dāng)切削深度為0.1 mm、切削速度為100 m/min，增加進(jìn)給速度，表面粗糙度降低了0.72 μm，而切深為0.2 mm時(shí)，降低了1.1 μm，切削速度為170 m/min、切深為0.2 mm時(shí)，表面粗糙度降低也最大。切削速度增加也會(huì)致使表面粗糙度降低，平均降低0.5 μm。從切削速度和進(jìn)給速度方面考慮，其表現(xiàn)出與塑性材料加工相似的規(guī)律。這是因?yàn)殡S著切削速度增加和進(jìn)給速度的降低，將會(huì)使得切屑顆粒變小，由脆性材料切除而產(chǎn)生的加工坑較小，最終加工面質(zhì)量提高。圖4和圖5對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中最大和最小粗糙度的表面形貌。

圖4 切削速度為100 m/min、進(jìn)給為0.018 mm/齒、切深為0.1 mm 對(duì)應(yīng)加工表面

圖5 切削速度為170 m/min、進(jìn)給為0.002 mm/齒、切深為0.2 mm 對(duì)應(yīng)加工表面

2.2 刀具磨損

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)刀具的磨損進(jìn)行測(cè)量觀察。通過光學(xué)顯微鏡觀測(cè)加工前和加工后的主切削刃，通過系統(tǒng)自帶測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算刀具磨損量。因?yàn)榈毒叩哪p狀態(tài)會(huì)直接影響最終的加工表面，在加工脆性材料時(shí)，如果刀具過于鋒利，則刀具和工件之間會(huì)發(fā)生很劇烈的磨損，刀具磨損加劇，而且還會(huì)導(dǎo)致工件表面質(zhì)量降低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，沒有發(fā)現(xiàn)任何規(guī)律，但經(jīng)過多次加工測(cè)量會(huì)發(fā)現(xiàn):一般刀具會(huì)在第一次切削時(shí)急劇磨損，而后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，之后會(huì)保持較長時(shí)間，且磨損相對(duì)較低。與切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相似[12]，磨損過程和一般刀具磨損過程類似。加工前新刀具和加工一次后刀具分別如圖6—7所示。

圖6 加工前新刀具(50倍率)

圖7 加工一次后刀具(切削速度100 m/min，進(jìn)給速度0.018 mm/齒，切削深度0.1 mm)

2.3 切屑形態(tài)

在加工過程中，由于主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，加工切屑會(huì)隨之被高速拋出，順著刀具旋轉(zhuǎn)的方向，切屑會(huì)到處都有。因此，只要在加工零件周邊放置盒狀工具，即可收集加工切屑，由于大小顆粒都隨機(jī)拋出在各個(gè)方向，在一個(gè)方向收集的切屑可以表征整個(gè)加工的切屑狀態(tài)。

收集分析切屑的大小以及形狀對(duì)于理解和分析銑削HAP材料的加工過程及表面形成有一定的幫助，從切屑的形態(tài)(圖8)可以明顯看出脆性材料斷裂特性。可以看到加工出來的切削從粉末狀到較大的顆粒狀都有，平均顆粒大小與加工參數(shù)有很大的關(guān)系，隨著進(jìn)給速度增大，一般顆粒呈現(xiàn)增大趨勢(shì);隨著切削深度的變化，呈現(xiàn)大—小—大的規(guī)律，而從切削速度上觀察不出較為明顯的規(guī)律。在已加工表面上也會(huì)粘結(jié)一些加工切屑。

圖8 加工HAP顆粒切屑

3 總結(jié)

通過對(duì)HAP材料的銑削加工實(shí)驗(yàn)，分析了加工參數(shù)對(duì)加工特性的影響。通過測(cè)量加工表面的粗糙度，對(duì)切削速度、進(jìn)給量和切削深度如何影響表面做了詳細(xì)的分析;同時(shí)對(duì)加工過程中刀具的損耗、產(chǎn)生的工件切屑做了分析。小結(jié)如下:

(1)好的表面質(zhì)量需要較高的切削速度和較低的進(jìn)給速度，同時(shí)需要適當(dāng)?shù)那邢魃疃?

(2)銑削HAP材料的過程中，充分表現(xiàn)出了脆性材料的特性，加工切屑成顆粒或者粉末狀，而且表面也呈現(xiàn)脆性材料的斷裂特性，無塑性變形;

(3)在銑削HAP材料過程中，刀具磨損也呈現(xiàn)出類似加工塑性材料的磨損過程，當(dāng)加工參數(shù)較大時(shí)，刀具會(huì)急劇磨損并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，隨之表面形貌得到改善;

(4)表面形貌和加工刀具、加工參數(shù)以及材料特性有著密不可分的關(guān)聯(lián)。如果能夠很好地控制各項(xiàng)參數(shù)并加以優(yōu)化，銑削是很有前景的加工HAP方法。

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