鈦合金椎間融合器加工關(guān)鍵技術(shù)研究

王俊青，趙文銳，孫碩，孫大平，趙東

1北京城市學(xué)院信息學(xué)部；2北京城市學(xué)院資源辦；3北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院

1 引言

鈦合金作為一種稀有金屬，因具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥、化工機(jī)械等領(lǐng)域，尤其是在醫(yī)療器械等行業(yè)，鈦合金因無磁性、無毒和良好的生物相容性而應(yīng)用更為廣泛[1]。但鈦合金加工性能較差，尤其在進(jìn)行銑削、鉆削、鏜孔和螺紋加工時(shí)效率很低，很大程度上制約了鈦合金產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

鈦合金椎間融合器在椎間融合術(shù)中被普遍使用，椎間融合器通過撐開椎間隙，恢復(fù)纖維環(huán)、脊柱前后縱韌帶、肌肉及關(guān)節(jié)囊的張力，形成“撐開-壓縮張力帶”效應(yīng)，使脊柱獲得即刻穩(wěn)定，為植骨融合、重建脊柱序列創(chuàng)造條件[2]。該零件形狀為薄壁圓筒多孔零件(見圖1和圖2)，表面均布網(wǎng)格狀方孔，零件剛性差。

圖1 椎間融合器零件

圖2 椎間融合器模型

本文針對(duì)鈦合金材料的加工特點(diǎn)，以鈦合金椎間融合器為研究對(duì)象，基于零件的結(jié)構(gòu)特征，制定裝夾方式和加工工藝路線，通過仿真試驗(yàn)分析零件加工變形結(jié)果，優(yōu)化加工走刀路徑，從而解決鈦合金薄壁孔加工中的難題。

2 鈦合金椎間融合器的加工工藝分析

2.1 加工特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

加工鈦合金時(shí)，剪切角很大，切屑變形系數(shù)接近于1(即切屑變形小)，單位切削力大，導(dǎo)致刀具損耗加大。鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，在高溫下易與大氣中的氧、氮等元素化合，生成硬脆的物質(zhì)，造成刀具黏結(jié)，產(chǎn)生“咬刀”現(xiàn)象[3]。加工鈦合金材料時(shí)，已加工表面經(jīng)常出現(xiàn)硬而脆的外皮，給后續(xù)加工工序帶來困難。鈦合金材料彈性模量小，已加工表面回彈量大，從而加劇了與后刀面的摩擦，容易引起切削振顫[4]。

本文所加工的鈦合金椎間融合器為薄壁結(jié)構(gòu)，剛性差，容易產(chǎn)生切削振動(dòng)，在加工過程中讓刀、切削變形現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響切削效率和加工表面質(zhì)量。

2.2 工藝分析

(1)切削刀具選擇

鈦合金硬度高、強(qiáng)度高，在切削過程中切屑很容易黏接熔結(jié)在刀尖刀刃附近，或形成積屑瘤，在刀尖附近的前后刀面上形成高溫區(qū)，導(dǎo)致刀具喪失紅硬性，磨損加劇。加工鈦合金時(shí)，一般刀具材料損傷很快，使用壽命極短[5]。同時(shí)，為避免刀具與工件中的鈦元素發(fā)生親和，不宜使用YT類硬質(zhì)合金刀具，而建議用YG類、YH類硬質(zhì)合金刀具。鈦合金回彈量大，當(dāng)?shù)都饨佑|工件時(shí)，刀尖與工件接觸面積增大，刀尖受力增大，容易造成刀尖磨損或破損，因此宜選用較大后角(α0=10°～15°)的刀具，以減小對(duì)后刀面的摩擦。同時(shí)，為了提高切削刃強(qiáng)度和散熱條件，刀具也應(yīng)具有較小的前角(γ0=5°～10°)[6]。鈦合金的強(qiáng)度高，黏性大，切削中更容易在切削區(qū)產(chǎn)生和積聚熱量，加之導(dǎo)熱性差，在進(jìn)行大切除量切削時(shí)，易引起燃燒，故加工鈦合金工件時(shí)，切削速度vc不宜過高，一般為40～50m/min，并適當(dāng)加大切削深度與進(jìn)給量[7]。

刀具涂層技術(shù)是提高鈦合金加工刀具切削性能和效率的有效途徑。為了更好地解決難加工材料的加工問題，材料學(xué)家開發(fā)了許多新的涂層牌號(hào)[5]。比如Miracle涂層實(shí)際上就是以特殊專業(yè)技術(shù)涂覆的(AlTi)N涂層膜，切削時(shí)涂層膜中的鋁被氧化，形成了穩(wěn)定的氧化鋁保護(hù)膜，具有優(yōu)異的耐熱性。表1為幾種刀具材料性價(jià)比[8]。

表1 加工鈦合金的幾種刀具材料性價(jià)比

在本零件加工中，立銑刀選用Miracle涂層硬質(zhì)合金刀具，刀柄為φ6mm，刀頭為φ2mm。銑削時(shí)，刀具上的切削力會(huì)分散到每條刀刃上，刀刃數(shù)越多，每條刀刃上的力就越小。但刀刃過多會(huì)導(dǎo)致容屑槽空間減小，影響排屑。綜合這兩方面因素，選用雙刃銑刀?？紤]硬質(zhì)合金銑刀在切入時(shí)沖擊力大，加之硬質(zhì)合金材料脆性大、強(qiáng)度低，因此刀具前角不宜過大，這里銑刀前角取10°[9]。

(2)夾具設(shè)計(jì)

椎間融合器為薄壁多孔圓筒零件，事先利用數(shù)控車床完成圓筒的加工(見圖3)。然后利用加工中心完成表面方孔的銑削加工，本文主要探討裝夾方式。

圖3 椎間融合器圓筒

椎間融合器在進(jìn)行裝夾時(shí)，應(yīng)避免裝夾變形，故采用軸向夾緊方式進(jìn)行裝夾，為此設(shè)計(jì)制作了專用工裝夾具(見圖4和圖5)。該夾具整體為一臺(tái)階軸，小端直徑比椎間融合器內(nèi)孔小0.5mm，以便安裝。利用電火花線切割在夾具中間切出2mm窄縫和一個(gè)φ5.8mm彈性孔，利用調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)窄縫大小而產(chǎn)生張力，使融合器圓筒的一端被固定在夾具小端處，并利用軸肩定位(見圖6)，考慮該零件為細(xì)長薄壁零件，故采用如圖7所示的“一夾一頂”裝夾方式，即夾具安裝在加工中心的四軸卡盤上，同時(shí)利用頂尖頂住融合器圓筒的另一端。整個(gè)融合器圓筒的實(shí)際裝夾情況見圖8。

圖4 工裝設(shè)計(jì)

圖5 工裝建模

圖6 融合器裝夾建模

圖7 融合器圓筒安裝建模

圖8 融合器圓筒安裝實(shí)物

3 數(shù)控加工關(guān)鍵工藝控制

3.1 選擇銑削方式和走刀路徑

鈦合金椎間融合器作為薄壁零件，主要依靠表面的網(wǎng)格狀方孔連接，對(duì)孔加工精度的要求較高。且鈦合金屬于難加工材料，加之薄壁零件剛度低，銑削時(shí)容易發(fā)生振動(dòng)和變形。故本節(jié)主要討論切削過程中銑刀的下刀位置和走刀路徑對(duì)零件加工精度的影響。

該零件為薄壁圓筒，采用順銑的走刀方式加工零件表面的方孔。在其圓柱面上銑削方孔的切削量并不大，方孔呈網(wǎng)格狀分布，需要考慮變形問題，因此采用徑向分層切削加工，沿壁厚方向每次切深0.5mm。為避免刀具在某一點(diǎn)多次停頓，切削時(shí)采用圓弧切入和圓弧切出的方法?？紤]鈦合金的“親和性”，在切削過程中，刀具應(yīng)連續(xù)切削，不可停頓，切削結(jié)束立刻退刀，防止形成堅(jiān)硬的氧化層而加劇刀具磨損。

走刀路徑的選擇對(duì)提高鈦合金零件加工精度有重要影響，合理的走刀路徑有利于材料被均勻切除，保持零件剛度的均衡性，均勻釋放殘余應(yīng)力。對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)零件，應(yīng)選擇合適的走刀路徑，以提高加工精度。通常采用“吃水線”走刀方式，即從薄壁或筋板兩側(cè)交互走刀進(jìn)行切削，保證零件在加工過程中受到均衡的支撐，提高零件剛度，保證加工精度[5]。

3.2 有限元分析

該零件圓柱表面均布方形孔，可以利用四軸加工中心完成加工。根據(jù)加工中心編程及工藝特點(diǎn)，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)，選擇橫向走刀、縱向走刀和螺旋走刀三種走刀路徑進(jìn)行方孔切削分析，三種走刀路徑切削模型見圖9。

(a)橫向走刀

(1)橫向走刀：利用加工中心四軸旋轉(zhuǎn)分度，沿圓周方向切削一圈后，再沿零件軸線方向移動(dòng)一個(gè)孔位，重復(fù)上述切削步驟直至加工完成。

(2)縱向走刀：沿零件軸線方向切削完成后，加工中心四軸旋轉(zhuǎn)分度，轉(zhuǎn)過一個(gè)孔位后，重復(fù)上述切削步驟直至加工完成。

(3)螺旋切削：利用加工中心四軸與工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)，沿螺旋線切削直至加工完成。

本文主要利用SolidWorks Simulation有限元分析模塊分析在三種不同走刀路徑(橫向走刀、縱向走刀和螺旋走刀)下，對(duì)比椎間融合器應(yīng)力、位移以及應(yīng)變的運(yùn)算結(jié)果得出結(jié)論，為合理選擇走刀路徑及提高零件加工精度提供依據(jù)。

3.2.1 建立仿真模型

在銑刀切削力一定的前提下，不同的走刀路徑會(huì)使其在“一夾一頂”的裝夾方式下發(fā)生不同的變形。采用SolidWorks Simulation中默認(rèn)的全局接觸，即剛性連接。因此，在仿真分析時(shí)，僅討論不同走刀路徑對(duì)零件應(yīng)力、位移和應(yīng)變的影響。根據(jù)表2建立不同走刀路徑下的仿真模型，采用實(shí)體網(wǎng)格類型，劃分零件網(wǎng)格模型。

表2 三種走刀路徑下零件模型網(wǎng)格

3.2.2 模型運(yùn)算分析

(1)應(yīng)力對(duì)比

通過模型運(yùn)算分別得出在三種不同走刀路徑下零件的應(yīng)力分布情況(見表3)。運(yùn)算結(jié)果表明，橫向走刀時(shí)，應(yīng)力主要均勻分布在零件的圓周面上，靠近夾具處顏色稍深，最大應(yīng)力為5.987×105N/m2；縱向走刀時(shí)，應(yīng)力沿軸線方向分布在零件表面，靠近頂尖處顏色稍深，最大應(yīng)力為7.319×105N/m2；螺旋走刀時(shí)，應(yīng)力沿螺旋線分布在零件表面，靠近夾具處顏色稍深，最大應(yīng)力為1.484×106N/m2。通過對(duì)比分析可知，采用橫向走刀時(shí)，零件所受應(yīng)力最小。

表3 三種走刀路徑下零件應(yīng)力分布情況

(2)位移對(duì)比

通過模型運(yùn)算得出在三種不同走刀路徑下零件位移分布情況(見表4)。運(yùn)算結(jié)果表明，橫向走刀時(shí)，零件上面顏色較深，位移主要分布在上表面靠近夾具側(cè)1/3處，最大位移為6.897×10-5mm；縱向走刀時(shí)，零件上表面顏色稍深，位移分布在上表面靠近頂尖側(cè)1/3處，最大位移為1.227×10-4mm；螺旋走刀時(shí)，零件上表面顏色略深，位移分布在上表面，大約在零件中間位置，最大位移為1.710×10-4mm。通過對(duì)比，分析出橫向走刀時(shí)零件最大位移最小。

表4 三種走刀路徑下零件位移分布情況

(3)應(yīng)變對(duì)比

通過模型運(yùn)算得出在三種不同走刀路徑下零件應(yīng)變的分布情況(見表5)。運(yùn)算結(jié)果表明，橫向走刀時(shí)，零件上表面顏色略深，應(yīng)變主要分布在零件上表面靠近夾具側(cè)1/3處，最大應(yīng)變?yōu)?.951×10-6；縱向走刀時(shí)，零件靠近頂尖側(cè)1/3處顏色稍深，應(yīng)變主要分布在零件圓周表面，最大應(yīng)變?yōu)?.373×10-6；螺旋走刀時(shí)，零件中部顏色微深，應(yīng)變主要分布在零件上表面，最大應(yīng)變?yōu)?.338×10-6。通過對(duì)比分析，橫向走刀時(shí)零件應(yīng)變值最小。

表5 三種走刀路徑下零件應(yīng)變分布情況

(4)變形形狀對(duì)比

通過模型運(yùn)算得出在三種不同走刀路徑下零件變形形狀對(duì)比(見圖10)。顯然，采用橫向走刀時(shí)的零件變形遠(yuǎn)小于采用縱向走刀和螺旋走刀時(shí)的零件變形。

(a)橫向走刀

由上述模型運(yùn)算的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分析可以得出：在橫向走刀路徑下，零件的最大應(yīng)力、最大位移和最大應(yīng)變均比縱向走刀和螺旋走刀路徑小，因此，選擇橫向走刀路徑進(jìn)行零件方孔加工。

3.3 編程加工

將椎間融合器模型導(dǎo)入CAXA制造工程師2016軟件，利用四軸加工工具設(shè)置機(jī)床、刀具和切削參數(shù)，進(jìn)行加工仿真，生成刀具軌跡。切削方式選用分層切削方式，每次切深0.5mm，銑刀轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給速度200mm/min。由于方形孔尺寸較小且有圓弧拐角，還應(yīng)考慮刀具在運(yùn)動(dòng)中的進(jìn)入路徑、切削路徑和退出路徑與工件可能發(fā)生干涉的部位，以免發(fā)生過切。

仿真校驗(yàn)無誤后，根據(jù)配有FANUC數(shù)控系統(tǒng)的友佳四軸加工中心進(jìn)行后置處理設(shè)置，生成刀具加工G代碼程序。

加工G代碼程序如下：(由于程序數(shù)據(jù)很大，這里僅列出部分程序)

%

O0001；

G54；

S3000 M3；

G0 G90 G17；

M08；

G00X-98.838Y0.983Z10.500；

Z10.50；

G01Z8.020F200；

X-98.881Y1.005Z8.016F200；

X-98.929Z8.012；

X-98.972Y0.983Z8.007；

X-100.063Y-0.000Z7.879；

X-98.972Y-0.983Z7.750；

X-98.929Y-1.005Z7.746；

X-98.881Z7.742；

…………；

X-1.749Y1.064；

X-1.949Y0.841；

G00Z100.500；

G91G28Y0；

M05；

M30；

%

將生成的G代碼通過計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口導(dǎo)入加工中心機(jī)床后進(jìn)行鈦合金椎間融合器的加工，圖11為加工現(xiàn)場。

圖11 椎間融合器加工現(xiàn)場

4 結(jié)語

本文以鈦合金椎間融合器為研究對(duì)象，結(jié)合鈦合金材料的特點(diǎn)和加工特性，確定涂層硬質(zhì)合金切削刀具選用，設(shè)計(jì)制造了專用工裝夾具。采用SolidWorks Simulation有限元分析模塊對(duì)采用橫向、縱向和螺旋走刀路徑切削時(shí)零件的應(yīng)力、位移和應(yīng)變進(jìn)行分析比較，確定選用橫向走刀路徑進(jìn)行零件的方孔切削加工，零件加工的實(shí)際效果比較理想。