HAP增強納米顆粒對Mg/HAP MMCs微銑削特性的影響

張小雨,孫付仲

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院,江蘇 南京 211800)

Mg的生物相容性和力學性能與骨骼組織非常相似,因而常被用作生物體植入物以替代其他金屬生物材料[1-2]，但純Mg的低強度、低彈性模量以及易腐蝕和可快速分解的特性限制了其廣泛應用[3]。研究發(fā)現,通過添加納米顆粒形成鎂基金屬復合材料(MMCs),可以增大基體硬度,從而獲得良好的力學性能[4]?？梢圆捎萌苣z-凝膠法制備Al摻雜ZnO納米粉末[5]以及通過微波輻照加熱制備Sb摻和SnO2納米顆粒[6]。羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HAP),由于其優(yōu)異的生物相容性、生物活性而備受關注[7]。由于Mg和HAP在生物醫(yī)學應用中存在優(yōu)勢,研究人員制備了HAP納米顆粒增強的鎂基金屬復合材料(Mg/HAP MMCs)并研究了其性能[8-10]。

MMCs一直被認為是難加工材料[11]，針對這一問題,研究人員對MMCs切削參數進行了大量研究。例如,Ciftci等[12]研究了車削方法對切削速度、進給速度和切削深度的影響。Cheung等[13]發(fā)現在加工過程中增大切削參數會導致增強纖維或顆粒從工件中移位,造成加工后的MMCs表面光潔度下降。

為揭示不同含量的HAP納米顆粒對Mg/HAP MMCs微銑削性能的影響,本文分別選取HAP質量分數為0.5%和1.0%的Mg/HAP MMCs進行微銑削試驗,并與純Mg的試驗結果進行對比。

1 試驗

按照文獻[7]的描述,制備了純Mg和HAP質量分數為0.5%和1.0%的Mg/HAP MMCs試樣,試樣尺寸為60 mm×7 mm×4 mm。

微銑削試驗在臺式微銑削加工機床上進行，機床參數[14]:三軸(X、Y、Z)最小進給量為0.1 μm;主軸轉速為5 000～80 000 r/min;用超精密卡盤夾緊微型研磨機,以確保主軸在1 μm精度內運行,配備測力計壓電裝置(Kistler 9256C2型、精度為2%),上述配置確保了微銑削試驗的順利進行。

使用的刀具為雙槽無涂層碳化鎢微型立銑刀,直徑0.5 mm、刀柄直徑3 mm。在研磨之前,通過掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi TM3030型)觀察試驗中使用的所有新刀具的幾何形狀,通過SEM照片估計切削刃半徑為1.5 μm,每個工件使用一個新的微型立銑刀。

采用全因子設計研究切削參數和表面粗糙度對Mg/HAP MMCs材料微銑削加工的影響。在該試驗中選擇了3個可控變量,即主軸速度、切削深度和每齒進給量。試驗1:主軸轉速選擇了3個參數(20 000、40 000、60 000 r/min),切削深度選擇了2個參數(100、200 μm),每齒進給量(fz)選擇了4個參數(1、2、3、4 μm),共組合進行24次試驗。為了研究切削過程中的尺寸效應,設計了每齒進給量不同,切削深度和主軸轉速相同的16槽銑削試驗(試驗2，表1),銑削完成后可通過SEM觀察毛刺、表面形貌與切屑,由SurfTest軟件(范圍和分辨率分別為800和0.01 μm)測量槽中的表面粗糙度。

表1 試驗2的切割條件

2 結果與討論

2.1 毛刺、表面形貌與切屑形成分析

微銑削加工中毛刺會嚴重影響加工產品的尺寸精度。圖1為微加工中純Mg和Mg/HAP MMCs的毛刺形狀。由圖1可以看出:HAP硬質納米顆粒的含量和每齒進給量均會影響毛刺的形成。純Mg的毛刺表面光滑且連續(xù),毛刺邊緣處呈鋸齒狀,隨著每齒進給量的增大,毛刺的尺寸隨之減小。當每齒進給量較小時,沿切削方向的材料會被擠出而出現溝槽,塑性變形部分開裂的材料保留在槽的邊緣并形成毛刺。 Mg/HAP MMCs的毛刺尺寸隨每齒進給量的增大而減小,這與純Mg隨每齒進給量的變化趨勢相同。然而,在毛刺的邊緣有明顯的斷裂,這主要是由于HAP質量分數的增大引起了Mg/HAP MMCs硬度和脆性的增大。由圖1還可知：在相同的切削參數下,毛刺厚度隨HAP質量分數的增大而減小,這也歸因于Mg/HAP MMCs的硬度和脆性增大,上銑邊的毛刺尺寸大于下銑邊,該結果與文獻[15]結果相似。

圖1 純Mg和Mg/HAP MMCs微加工槽的SEM照片Fig.1 SEM graphs of micromachined slots of pure Mg and Mg/HAP MMCs

圖2為微加工中純Mg和Mg/HAP MMCs的表面形貌和切屑。由圖2可以看到：微加工表面存在不同的缺陷,主要表現為純Mg出現多處微坑而Mg/HAP MMCs出現裂紋。純Mg表面的微坑(圖2(a))是微銑削過程中刀具與金屬之間的摩擦引起的Mg晶粒剝落。HAP質量分數為0.5%的Mg/HAP MMCs表面產生大量裂紋(圖2(b)),當HAP顆粒含量增加到1.0%時裂紋面積增大(圖2(c))。這是因為Mg/HAP MMCs比純Mg脆,在與刀具接觸時對撞擊非常敏感,并且容易造成材料大量脫落形成紋路;純Mg表面的刀具痕跡分布不規(guī)則,而Mg/HAP MMCs的刀具痕跡由于硬度增大而相對規(guī)則。

對材料進行切屑研究可以更好地了解微加工表面形貌,圖2(d)—2(f)為3種材料在微銑削過程中產生的切屑的SEM照片。由圖2(d)可知：純Mg的切屑表面光滑且規(guī)則,易形成較長的切屑,這是因為純Mg質軟且延展性較好。由圖2(e)和2(f)可知：Mg/HAP MMCs切屑出現大量裂紋并最終斷裂,切屑長度較短,這主要是由于HAP顆粒的加入導致Mg/HAP MMCs的硬度和脆性增大,從而造成切屑易于斷裂。HAP顆粒越多，切屑長度越短,且切屑斷裂程度加劇,產生的切屑形態(tài)與圖2(b)和2(c)所示的材料表面缺陷形態(tài)吻合。

圖2 純Mg和Mg/HAP MMCs微加工缺陷和切屑的SEM照片Fig.2 SEM graphs of micromachined slots and chip morphology of pure Mg and Mg/HAP MMCs

2.2 微加工槽表面粗糙度分析

為了更好地表征微加工槽的表面粗糙度,每個槽選取3個不同位置進行測量,并將平均值作為微加工槽的表面粗糙度。每齒進給量、主軸轉速和切削深度對純Mg和Mg/HAP MMCs表面粗糙度的主要影響如圖3所示。由圖3可以看出:Mg/HAP MMCs的表面粗糙度隨著每齒進給量的增大而增大。當每齒進給量從1 μm增大到3 μm時,純Mg的表面粗糙度會顯著增大;但是當每齒進給量從3 μm增大到4 μm時,表面粗糙度會降低。主軸轉速直接影響刀具與工件之間的摩擦以及熱量的產生,主軸轉速的增大可能導致軟度低的材料發(fā)生軟化,進而影響材料的去除和表面粗糙度。純Mg的表面粗糙度隨主軸轉速的增大而降低,這是因為純Mg質軟且塑性變形較大。HAP質量分數為0.5%的Mg/HAP MMCs表面粗糙度隨主軸轉速的變化與純Mg基本相同,這是因為HAP含量少，材料特性與純Mg相似。而當HAP的質量分數增大到1.0%時,表面粗糙度隨主軸轉速的增大基本保持不變,這主要是由于添加HAP顆粒可使材料變脆,并降低塑性變形[16-17]。較高的主軸轉速產生的較高熱量使材料軟化并形成半圓形刀具,在相同的主軸轉速下,表面粗糙度隨添加HAP顆粒含量的增大而增大。純Mg的表面粗糙度隨切削深度的增大而減小,而 Mg/HAP MMCs的表面粗糙度隨切削深度的增大而增大。因此,對Mg/HAP MMCs進行微銑削時,應選擇較小的每齒進給量和切削深度,以獲得更好的表面粗糙度。

圖3 不同切削參數與表面粗糙度的關系Fig.3 Relationship between different cutting parameters and surface roughness

表2為3種材料經微銑削試驗所得表面粗糙度的方差分析(ANOVA)結果。由表2可知：每齒進給量(fz)、切削深度(ap)和主軸轉速(n)對3種材料的表面粗糙度有不同的影響。在純Mg的微加工中,主軸轉速和每齒進給量對表面粗糙度有顯著影響,貢獻率分別為35.9%和28.4%。在HAP質量分數為0.5%的Mg/HAP MMCs微加工中,主軸轉速和切削深度對表面粗糙度有顯著影響,貢獻率分別為30.5%和29.8%。對于HAP質量分數為1.0%的Mg/HAP MMCs微加工中,切削深度貢獻率占47.2%,是最主要的影響因素。研究發(fā)現,兩個切削參數之間的相互作用對結果并不重要,這與Mg/Ti MMCs和Mg/TiB2MMCs的微銑削研究結果相同[15]。因此，隨著HAP顆粒質量分數的增大,主軸轉速的影響減小,切削深度的影響增大。

表2 不同材料表面粗糙度的方差分析結果

2.3 尺寸效應

宏觀加工和微觀加工在運動學特性上有許多相似之處,但也存在很大差異,例如尺寸效應。當未切削深度與切削刃的半徑相當時,尺寸效應成為影響切削過程的主要因素[18]。當未切削深度小于臨界值時,彈性變形成為主要的切割狀態(tài),不會形成切屑,不僅會出現表面質量下降,更會造成更大的切削力和過早的刀具磨損[19-20]。本節(jié)將從切削力和表面粗糙度方面研究尺寸效應,從而確定最小切削深度。

圖4(a)為主軸轉速和切削深度分別為40 000 r/min和100 μm時，純Mg和Mg/HAP MMCs的切削力隨每齒進給量的變化。由圖4(a)可知:隨著每齒進給量的增大,純Mg的切削力具有3個變化階段，當每齒進給量小于0.4 μm時,切削力隨每齒進給量的增大顯著增大(區(qū)域Ⅰ),而在這個階段,Mg/HAP MMCs發(fā)生彈性變形,工件表面可以恢復到原始狀態(tài)而不會形成切屑;當每齒進給量從0.4 μm增至0.8 μm時,純Mg的切削力將降低,根據切削力曲線和尺寸效應變化趨勢[14]可知,每齒進給量接近臨界切削深度,即未切削深度接近切削刃的半徑,彈性變形和塑性變形將同時發(fā)生[14],從而減小了刀具和工件之間的切削力(區(qū)域Ⅱ);當每齒進給量大于0.8 μm時,切削力隨每齒進給量的增大而增大,此時每齒進給量大于臨界切屑深度,可形成連續(xù)的切屑(區(qū)域Ⅲ)。而對于Mg/HAP MMCs來說,當每齒進給量小于3 μm時,切削力基本不變,主要是因為添加的HAP顆粒增大了Mg/HAP MMCs的硬度和脆性,即工件和材料之間的彈性變形可以忽略不計,很小的每齒進給量也可以去除材料。圖4(b)為主軸轉速和切削深度分別為40 000 r/min和100 μm時,純Mg和Mg/HAP MMCs的表面粗糙度隨每齒進給量變化。由圖4(b)可知：由于添加了HAP顆粒,尺寸效應減弱，Mg/HAP MMCs的最小切屑深度為1.1 μm。

圖4 切削力和表面粗糙度與每齒進給量的關系Fig.4 Cutting force and surface roughness vs feed per tooth

3 結論

使用無涂層碳化鎢微型立銑刀研究了HAP質量分數為0.5%和1.0%的Mg/HAP MMCs微銑削加工性能,并與純Mg的結果進行對比。首先,研究了由3個切削參數引起的表面粗糙度變化,并獲得了各種變形源的主要貢獻率；然后，觀察并分析加工過程中形成的毛刺、表面形貌和切屑；最后，描述了Mg/HAP MMCs的尺寸效應,獲得了最小切屑深度。

1)在微銑削Mg/HAP MMCs時,應選擇較小的每齒進給量和切削深度,以獲得更好的表面粗糙度。根據方差分析結果可知：隨著HAP質量分數的增大,主軸轉速的影響減小,切削深度的影響增大。

2)Mg/HAP MMCs的毛刺尺寸隨著每齒進給量的增大而減小,并且在毛刺邊緣出現明顯的斷裂。裂紋出現在微加工表面,并且隨著HAP質量分數的增大,裂紋的面積增大。

3)在Mg/HAP MMCs的微銑削中,應選擇較低的主軸轉速和較小的每齒進給量,以最大限度地降低切削力，并改善表面質量。

4)在主軸轉速和切削深度分別為40 000 r/min和100 μm時,由于添加了HAP納米顆粒,尺寸效應大大減弱,Mg/HAP MMCs的最小切屑深度可以確定為1.1 μm。