鎳鈦合金切削參數優化及溝槽結構疏水性研究

倪家偉， 曹自洋， 許 威， 潘 杰

（1.蘇州科技大學 機械工程學院，江蘇 蘇州 215009； 2.蘇州市高效與精密加工技術重點實驗室，江蘇 蘇州 215009）

鎳鈦合金作為一種具有超彈性、耐蝕性、形狀記憶性和生物相容性等特殊性能的金屬材料[1-2]，常常受到科研人員的重視，現已廣泛應用于航空航天、生物醫學、機器人和微電子等領域[3-4]。 其應用要求鎳鈦合金必須具有良好的耐蝕性和生物相容性，而這與材料表面的疏水性密切相關。水接觸角（WCA）等于或大于90°的疏水表面具有獨特的自潔性、耐腐蝕性[5]、低黏附性和微流體輸送[6]等特點，有效的提高了鎳鈦合金應用價值。

目前，鎳鈦合金的表面改性加工大多采用激光、陽極氧化和電火花等加工技術。 Jiaru Li 等[7]基于納秒激光在鈦合金表面制備了超疏水的減反射微結構。 Zhendi Yang 等[8]在含氟離子的乙二醇陽極電解液中對鎳鈦合金進行處理，并形成了具有均勻孔狀分布的納米級氧化物。 馮超超等[9]采用磁力攪拌電火花加工技術在鎳鈦合金表面形成凝固鼓包-凹坑-氣孔-顆粒復合形貌的疏水表面。 而這些表面微觀結構加工技術都存在一定的局限性和缺點。 過去一段時間，微細加工技術憑借高精度、高效率、低成本等諸多優勢被廣泛地應用于制造具有復雜微結構的零部件[10]。 通過微銑削技術研究加工鎳鈦合金及其微結構的疏水性是有意義的。

本文采用三因素四水平的正交實驗對鎳鈦合金微銑削加工進行研究，考慮每齒進給量fz、主軸轉速n、背吃刀量ap對鎳鈦合金表面毛刺的影響規律，以及獲得最佳工藝參數組合，得到良好的表面質量。 最后，通過加工鎳鈦合金單向溝槽陣列結構，分析其疏水性。

1 實驗條件及方案

1.1 實驗條件

實驗工件材料為廣泛應用于航空航天、生物醫學等領域，并且在外力作用下發生馬氏體相變，能恢復一定的形變量的難加工材料：鎳鈦合金（Ni∶Ti-50∶50），其物理機械性能見表1。 加工機床為哈斯三軸聯動數控微銑床，機床主軸最高轉速為30 000 rmp，X 軸、Y 軸和Z 軸工作行程分別為305 mm、254 mm 和305 mm，工作臺定位精度為1 μm；刀具選用德國BMG600 型的納米涂層兩刃硬質合金微銑刀，刀具直徑0.3 mm，刃長為0.45 mm，刀具長度為45 mm，如圖1 所示。 采用VHX-5000 超景深三維顯微鏡對微銑削加工制備的鎳鈦合金表面溝槽進行觀察分析，如圖2 所示。 液滴接觸角的測量設備為JC2000D1 型接觸角測量儀。

圖1 微銑削加工系統示意圖

表1 NiTi 合金的物理機械性能

1.2 實驗方案

為了更好的保證微銑削加工的平面度， 減少誤差， 首先采用直徑4 mm 的硬質合金銑刀對15 mm×15 mm×50 mm 黃銅進行平整精加工， 然后將15 mm×15 mm×1 m 的單面拋光鎳鈦合金片穩固的貼粘在黃銅基體材料上。利用微銑削加工系統在鎳鈦合金表面制備出溝槽結構，其中溝槽寬度理論上等于刀具直徑。選取微銑削鎳鈦合金形成的毛刺為研究對象，采用VHX-5000 超景深三維顯微鏡觀察其尺寸大小和溝槽表面三維形貌。

本研究采用多因素正交實驗來確定主軸轉速n、每齒進給量fz、背吃刀量ap對微銑削溝槽結構毛刺尺寸大小的影響規律，還可以得到最佳的切削參數和工藝方案，從而制備出表面質量較好的單向溝槽陣列結構，為研究鎳鈦合金單向溝槽陣列結構的疏水性提供了良好的基礎環境。 實驗取用標準的三因素四水平正交表L16（43），通過極差和方差分析得到微銑削鎳鈦合金最佳切削因素組合，減少微結構表面毛刺的生成。 基于哈斯數控微銑床加工條件及參考文獻，獲得因素水平表，見表2。

表2 正交實驗因素水平表

2 正交實驗結果與分析

2.1 微銑削毛刺表征

用VHX-5000 超景深三維顯微鏡對微銑削正交實驗結果進行分析測量。 圖3 顯示鎳鈦合金在主軸轉速n 為15 000 r/min、每齒進給量fz為0.1 μm/z、背吃刀量ap為10 μm 的切削參數條件下微溝槽邊緣處形成的毛刺形狀。從圖中可以看出沿著溝槽方向微銑削加工時每齒進給會在底部形成許多弧狀紋路。另外，槽兩側存在毛刺呈現出鋸齒狀態，右側順銑的毛刺明顯比左側逆銑的要多。 這是由于切削加工過程中，微銑刀在開始切削鎳鈦合金基體材料時，切削過程不穩定，造成較大的切削沖擊；隨著每齒切削厚度的逐漸減小，切屑變形減小，形成了順銑一側的較多的毛刺分布。 在左側逆銑時，每齒切削厚度的逐漸增大，后刀面對鎳鈦合金材料形成擠壓摩擦現象，故使得切削過程在逆銑一側保持相對穩定狀態，形成的毛刺較少。

圖3 微溝槽表面毛刺示意圖

在正交實驗后，用超景深顯微鏡觀察發現溝槽兩側形成的鋸齒狀毛刺大小分布不均勻。 因此，選擇不同位置的毛刺來測量寬度，如圖4 所示。 并取其平均值來作為表征毛刺寬度，正交實驗毛刺測量結果，見表3。

圖4 毛刺尺寸寬度測量示意圖

表3 正交實驗結果

2.2 溝槽結構毛刺分析

根據表3 中的三因素和溝槽毛刺寬度，采用極差和方差的數據分析方法進行分析，確定不同的切削參數對毛刺的影響程度，得到鎳鈦合金的最佳切削參數組合。 正交實驗極差、方差分析見表4。

表4 正交實驗毛刺寬度極差與方差分析結果

表4 中，ki（i=1、2、3、4)是對應因素水平毛刺寬度之和kij的平均值，R 為各因素水平對應的極差，D 為對應的方差。 根據表4 中的極差與方差的分析結果可繪制出三因素對鎳鈦合金毛刺寬度的影響程度以及不同參數條件下毛刺寬度的變化規律，如圖5、圖6 所示。 圖5 可以看出每齒進給量fz的極差與方差最大，背吃刀量ap最小。 由此表明微銑削鎳鈦合金時，每齒進給量對毛刺寬度影響最大，主軸轉速次之，背吃刀量對毛刺影響最小，影響程度從大到小順序依次為：每齒進給量fz＞主軸轉速n＞背吃刀量ap。 各參數因素水平最優組合為：當n=15 000 r/min、fz=0.5 μm/z、ap=5 μm 時，加工鎳鈦合金的毛刺寬度最小。

圖5 毛刺寬度極差圖與方差圖

圖6 不同切削參數對毛刺寬度的影響規律

從圖6 不同切削參數對鎳鈦合金毛刺寬度的影響規律可以看出，當主軸轉速從10 000 r/min 增加至15 000 r/min 時，溝槽毛刺寬度呈下降趨勢，從15 000 r/min 增加至25 000 r/min 時，毛刺寬度逐漸增大。 這是由于隨著主軸轉速的增大，刀具與待加工表面接觸時間變短，相同時間內切除材料的時間變短。 同時，當轉速增加到一定時，高速加工的微銑削系統存在顫振和動態不穩定性，導致切屑增大，毛刺增大。 受微銑削尺寸效應的影響，每齒進給量等于或微大于刀尖鈍圓半徑時，加工耕犁現象減少，溝槽毛刺寬度減少。 故如圖6（b）所示，每齒進給量fz為0.5 μm/z 時，鎳鈦合金表面溝槽毛刺寬度最小。 當每齒進給量增大時，刀具磨損和工件耕犁現象嚴重，毛刺寬度變大。 圖6（c）表明毛刺寬度尺寸隨著背吃刀量的增加而增加，當背吃刀量增加到一定程度后，毛刺略微減小，但變化趨勢不明顯。 這可能是由于隨著微銑削加工的進行，刀具磨損嚴重，實際的背吃刀量小于理論值，導致毛刺呈現減少現象。

3 單向溝槽陣列結構疏水性分析

3.1 溝槽結構質量分析

當微銑削加工鎳鈦合金合金表面單向溝槽陣列結構時，槽兩側形成的毛刺越大越多，對疏水性的影響也就越大。 超景深三維顯微鏡觀察發現的鋸齒狀毛刺與液滴無法形成固、液、氣三相平衡，使得液滴順著毛刺生長方向鋪展擴張，不利于疏水性的產生。 因此，根據三因素四水平正交實驗可知，切削參數對毛刺的影響程度為：每齒進給量fz＞主軸轉速n＞背吃刀量ap。 采用n=15 000 r/min、fz=0.5 μm/z、ap=5 μm 的最優參數組合加工鎳鈦合金表面單向溝槽陣列結構，使得溝槽結構毛刺最小，能夠達到較為理想的設計效果，如圖7 所示。

圖7 微銑削加工鎳鈦合金溝槽結構

從圖7（a）中可以看出，最佳的主軸轉速、每齒進給量、背吃刀量等工藝參數加工出的單向溝槽陣列結構形狀完整，邊界明顯，毛刺及破損凹坑在可接受范圍。 通過VHX-5000 超景深三維顯微鏡得到的三維云圖7（b）表示，微銑削實際加工出來的單向溝槽結構截面呈現出類似“倒梯形”的形狀。 這是由于微銑刀長時間的切削加工，和鎳鈦合金加工表面相互接觸摩擦，引起刀具磨損。 并且隨著磨損和破損程度不斷加深，銑刀形狀和直徑也在不斷變化，導致在Z 軸方向進給過程中切削出來的溝槽寬度減小。 此外，高速加工的微銑削系統存在顫振和動態不穩定性，引起了單向溝槽陣列結構形成毛刺或者破損凹坑，降低了加工質量。

3.2 溝槽結構疏水性分析

針對設計加工的單向溝槽陣列結構具有的特性， 可以從平行和垂直兩個方向上使用JC2000D1 型接觸角測量儀進行接觸角測量，如圖8 所示。 并且液滴在微結構表面總會尋找自由能最低，以達到穩定狀態，結構參數及接觸角測量值見表5。

圖8 單向溝槽陣列結構示意圖

表5 單項溝槽陣列結構參數及接觸角測量值

圖9 為當m=250 μm，n=160 μm，h=60 μm 時，平行溝槽方向與垂直溝槽方向的實際接觸角示意圖。 從圖中可以觀察到平行溝槽方向的液滴呈疏水狀態，接觸角大于110°。 而且合金表面溝槽結構上存在微納凹坑二級結構，使得液滴與鎳鈦合金表面溝槽結構之間存在空氣，形成了空氣墊，增大了溝槽結構的疏水性。當槽寬m 為250 μm 時，平行溝槽方向與垂直槽方向的實際接觸角總體趨勢是隨著柱寬n 的增大而減小，如圖10 所示。 在柱寬最小時，平行溝槽方向的實際接觸角達到145.4±1.8°，相對于光滑鎳鈦合金表面本征接觸角的77.2°增加了接近一倍。 而且可以看出平行槽方向的接觸角總是大于垂直槽方向，最大相差為62.2°。這是由于溝槽柱寬的約束影響，液滴在垂直溝槽兩側受到的固液界面張力較小，更易運動擴張。

圖9 實際接觸角示意圖

圖10 不同結構參數下接觸角關系圖

4 結論

為了深入研究鎳鈦合金表面微結構的疏水性，同時獲得更好的加工質量，深入的研究了微銑削鎳鈦合金切削參數的優化。 通過三因素四水平正交實驗，極差與方差分析得出切削因素與毛刺之間的影響關系及最佳工藝參數組合。最后，采用最佳參數組合加工鎳鈦合金單向溝槽陣列結構，分析其疏水性，得到以下結論：

（1）微銑削鎳鈦合金表面毛刺生成的影響因素從大到小表示為：每齒進給量對毛刺寬度影響最大，主軸轉速次之，背吃刀量對毛刺影響最小。 在實驗范圍內，各參數因素水平最優組合為：當n=15 000 r/min、fz=0.5 μm/z、ap=5 μm 時，加工鎳鈦合金的毛刺寬度最小。

（2）溝槽兩側雖存在細微的加工破損凹坑及毛刺，但結構邊界明顯完整性好。 柱寬最小時，平行槽方向的最大靜態接觸角為145.4±1.8°，達到了疏水狀態。

（3）平行溝槽方向的實際接觸角隨著柱寬的增大而減小，其接觸角總是大于垂直槽方向的，最大相差為62.2°。