铣削工艺参数对医用镁合金表面质量的影响及其优化

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编者按

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镁合金的密度小，约为铝合金的 66.7% ，铁合 金的 20% ；比强度高，且对冲击、振动和电磁波等 的吸收能力强；导电性及导热性好；生物相容性好，被广泛应用于电子产品、汽车与轨道交通、航空航天以及生物医学等领域，具有良好的潜在发展 空 间 ^[1] 。其中 Mg-Mn 系合金以其良好的生物相容性 和耐蚀性，成为重要的医用镁合金，在心血管支架、骨植入材料等医用材料方面具有广阔的应用前 景 ^{[2 ， 3]} 。

镁合金在金属材料中是最容易加工的材料之 一，主要表现为切削阻抗小，其切削力仅为钢的 1/6 、铝的 1/2 左 右 ^{[4 ， 5]} 。但是镁合金材料加工时也存 在容易发生变形，热膨胀大，收缩率高，着火点低以及化学性质不稳定等问题，切削加工时要注意控 制 ^{[6 ， 7]} 。此外，对于生物医学材料而言，耐蚀性是 决定其使用性能的关键因素，而耐蚀性除了与材料本身的化学特性相关之外，还与材料的表面状态密 切相 关 ^[8] ，表面粗糙度值低、表面质量好，则有利 于提升其耐蚀性。为了满足镁合金零件在生物医学中的要求，镁合金在切削加工时尤其要注意表面粗 糙度的控 制 ^[9] 。表面粗糙度不仅影响其外在美观， 而且对零部件的耐磨性、耐蚀性、疲劳强度及尺寸精度等有很大的影响。

本文对 Mg-1.0Mn 医用镁合金铣削过程中的加工 条件进行工艺验证：设置不同的主轴转速和进给速度；为了确定随切削深度变化的表面粗糙度，采用 Minitab 软件建立试验条件，并利用试验计划法进行 定量分析，以选择端铣刀的最佳加工条件。

试验材料为 O 态的 Mg-1.0Mn 医用镁合金板材， 厚度为 15mm ，其力学性能见表 1 。通过线切割在板材中切割 25mm （长）× 15mm （宽）× 38mm （高）的铣削试样。铣削加工采用 φ 10mm × 75mm 整 体式硬质合金直柄平头铣刀，其中切削部分长度 为 27mm ，螺旋角为 45 °。加工使用的机床是沈阳第一机床制造有限公司的 VMC850 立式加工中心，其主轴最高转速为 8000r/min ，工作台尺寸为 500mm × 1000mm 。试样的铣削加工及其表面粗糙度测量如图 1 所示，其中试样的装夹及加工方向如图 1a 所示。加工完成后，采用便携式高精度金属材料 表面粗糙度测试仪对其加工表面粗糙度进行测量。

铣削加工后零件的表面粗糙度与加工参数密切 相关，具体包括工件材质、切削速度、进给速度、切削深度、刀具材质及几何角度、切削液等。结合实际加工条件与要求，选择对表面粗糙度影响较大 的 4 个参数进行试验，分别为主轴转速、进给速度、 铣削深度和铣削宽度。结合工件的材质特点以及所 使用刀具和加工中心的允许范围，每个参数设定 3 个数值水平，按照 L9 （ 3 ⁴ ）正交表设计正交试验方案见表 2 。为减少试验误差，每组参数进行 3 次加工与 测量。

3.1 铣削参数对表面粗糙度的影响

表 3 给出了采用不同铣削参数进行加工后测得 的试样表面粗糙度值。可以看出，所有试验条件下 进行的 3 次平行重复试验结果偏差不大，试验结果未受到其他环境、设备或刀具因素的影响。取 3 次平行 试验结果的平均值作为该组加工参数的结果，采用 Minitab 数值统计分析软件对正交试验结果进行均值和方差分析，得到表面粗糙度值 Ra 均值响应表（见表 4 ）。图 2 为根据表 4 的均值分析结果生成的各个铣 削参数对表面质量影响的主效应图。

根据表 4 的方差分析结果以及图 2 可以看出，不 同参数对表面质量的影响程度有明显差异。铣削加工参数对表面粗糙度影响程度的顺序为：进给速度＞主轴转速＞铣削深度＞铣削宽度，即进给速度对表面粗糙度的影响最大，铣削宽度的影响最小。且不同参数对表面粗糙度的影响规律也各不相同，主轴 转速最高（ 6360r/min ）时可获得最低的表面粗糙 度值，且转速越低，表面粗糙度值越高；而进给速 度在最低（ 700mm/min ）时可获得最低的表面粗糙 度值，随着进给速度的增加，表面粗糙度值相应增加；随着铣削深度增加，表面粗糙度值先降低然后 再增加，表面粗糙度值在铣削深度为 20mm 时出现 一个谷值；而铣削宽度增加时，表面粗糙度值几乎没有变化，仅是小幅度地增加。

3.2 工艺参数的优化

表面粗糙度值越低，表面质量越好，根据表 4 和 图 2 正交试验的均值和方差分析结果可以确定，获得最佳表面质量的加工条件应为：主轴转速 6360r/min ，进给速度 700mm/min ，铣削深度 20mm ，铣削宽度 0.5mm 。选定的最佳加工条件参数水平组合为 3-1-2-1 ，由于未在表 2 所示的正交试验表中出现， 因此该条件是预测结果。为了得到切削加工参数的最佳组合，采用最佳加工参数进行切削试验，测得 的试样表面粗糙度值见表 5 ， Ra 平均值为 0.14 μ m ，与表 3 中的所有试验结果相比均有所改善。

本文结合 Mg-1.0Mn 医用镁合金铣削加工条件， 对表面粗糙度影响较大的 4 个工艺参数进行正交试验 和定量分析。通过试验结果和工艺参数的优化，得出以下结论。

1 ）不同铣削加工参数对表面粗糙度的影响规 律和影响程度各有不同，铣削加工参数对表面粗糙度影响程度的顺序为：进给速度＞主轴转速＞铣削深度＞铣削宽度。进给速度对表面粗糙度的影响最大；铣削宽度变化时，表面粗糙度几乎不受影响。

2 ）获得最佳表面质量的加工条件为主轴转 速 6360r/mi n ，进给速度 700mm/min ，铣削深度 20mm ，铣削宽度 0.5mm 。此参数下表面粗糙度值 Ra 平均值为 0.14 μ m ，满足设计要求。

参考文献：

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