劉 徽，程 祥，劉肖肖，楊先海，呂福順

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

人體各種骨骼的缺損和壞死一直是世界各國骨科領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和臨床研究的重難點(diǎn)問題。為解決此問題，人們將目光轉(zhuǎn)移到人工骨替代材料的研究上，其中近幾年聚醚醚酮(PEEK)材料因其優(yōu)良的物化特性及生物相容性受到了越來越多的關(guān)注[1]。而在制造人工骨的方法中，3D 打印技術(shù)有著其它傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)勢[2]。

高麗花等在溫度波動(dòng)下對骨骼創(chuàng)傷修復(fù)中的PEEK仿生人工骨的3D打印技術(shù)進(jìn)行有效分析，做出了具有理論價(jià)值的研究[3]。趙帝等在對PEEK 3D打印過程進(jìn)行流體力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，研發(fā)出適合PEEK 3D打印的試驗(yàn)裝置，具有很大的實(shí)用價(jià)值[4]。張鈺等在對 3D 打印樣件進(jìn)行熱力學(xué)仿真和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用自行開發(fā)的 3D 打印裝置成功制造出 PEEK 仿生人工骨，突破了其只能用注塑和激光燒結(jié)制造的局限[5]。由此可知，國內(nèi)對于采用熔融沉積型(FDM)3D打印方式制造PEEK材料人工骨處于起步階段。

由于FDM逐層堆積的原理[6]限制，F(xiàn)DM型3D打印出的試件表面質(zhì)量較差，若要應(yīng)用于臨床，需對打印試件進(jìn)行減材處理。在各種減材方式中銑削加工是公認(rèn)的高質(zhì)量、適合于復(fù)雜幾何特征加工的工藝[7]，因此本文采用銑削這種減材方式對3D打印后的試件進(jìn)行加工處理。將FDM型3D打印增材制造與銑削減材制造相結(jié)合，以復(fù)合加工的方式進(jìn)行人工骨的生產(chǎn)制造。針對人骨表面多為曲面的現(xiàn)實(shí)情況，展開對PEEK材料FDM型3D打印試件曲面銑削參數(shù)的優(yōu)化研究。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 單因素試驗(yàn)銑削參數(shù)的選取

在聚醚醚酮材料3D打印試件的銑削參數(shù)優(yōu)化研究中，實(shí)驗(yàn)的目的是獲取最優(yōu)的銑削參數(shù)組合，響應(yīng)指標(biāo)為表面粗糙度Ra，試驗(yàn)的研究因素為切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz。先采用單因素實(shí)驗(yàn)法獲得適合銑削的各因素選取范圍，然后在其所在的適當(dāng)范圍內(nèi)各取水平值進(jìn)行正交試驗(yàn)[8-9]，以此分析各研究因素對響應(yīng)指標(biāo)的影響趨勢，得出最優(yōu)的銑削參數(shù)組合。單因素試驗(yàn)的銑削參數(shù)及水平選取如表1所示。

表1 單因素試驗(yàn)各組銑削參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及其應(yīng)用

本試驗(yàn)所用設(shè)備為自主研發(fā)的熔融增材與銑削減材復(fù)合加工機(jī)床，如圖 1 所示。參照本課題組前期研究[10]將打印層厚設(shè)置為0.3mm。為滿足銑削試驗(yàn)所用的深度要求，將外周輪廓打印層數(shù)設(shè)置為4層。由于FDM型3D打印出的試件表面粗糙度值較大，為保證銑削效果，每組相同的參數(shù)銑削兩次。

圖1 試驗(yàn)所用設(shè)備

銑削后試件的表面粗糙度由 CS3200 表面粗糙度測量儀測量。測量粗糙度時(shí)，在打印試件五個(gè)均勻分布的位置上分別測量，記錄測量結(jié)果并計(jì)算平均值，將平均值記為最終的表面粗糙度值。

2 單因素試驗(yàn)

3D打印出的銑削試驗(yàn)所用試件如圖2所示。

圖2 銑削試驗(yàn)所用的打印試件

按照表1所選取的單因素試驗(yàn)的參數(shù)組合依次完成三組單因素試驗(yàn)，為節(jié)省試驗(yàn)所用材料，利用打印試件外形對稱的特點(diǎn)，在同一試件上進(jìn)行兩組銑削試驗(yàn)。銑削試驗(yàn)完成后，使用表面粗糙度測量儀完成各試件銑削后的表面粗糙度的測量。第一組試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 切削深度對表面粗糙度的影響

由圖3可知，銑削后的表面粗糙度隨著切削深度的增大，整體上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在切削深度等于0.4mm時(shí)，表面粗糙度取得最小值。在切削深度大于0.4mm時(shí)，隨著切削深度的增大，表面粗糙度逐漸增大，這是由于切削深度較大時(shí)，試件作用在銑刀上的力變大，銑刀產(chǎn)生的振動(dòng)增大，從而降低了銑削質(zhì)量，表面粗糙度變大。在切削深度等于0.4mm時(shí)，表面粗糙度取得最小值。其中在切削深度等于0.3mm的時(shí)候，表面粗糙度增大，這與試件是由FDM型3D打印方式得到的有關(guān)，因?yàn)榇蛴r(shí)根據(jù)前期的研究將打印層厚設(shè)置為0.3mm，當(dāng)切削深度與層厚相同時(shí)，層間粘接較差的情況影響了銑削的效果。根據(jù)此變化趨勢，在下一步的正交試驗(yàn)研究中切削深度的參數(shù)范圍可在0.40mm附近選取。

第二組試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

由圖4可知，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大整體上逐漸減小，只有在最大轉(zhuǎn)速即5000r/min時(shí)，表面粗糙度略有回升。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速過大時(shí)，銑刀的振動(dòng)會(huì)變大而且摩擦產(chǎn)生的熱量增多，從而影響銑削效果，降低了表面質(zhì)量。根據(jù)此變化趨勢，可將正交試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速的參數(shù)選取在4600r/min附近。

第三組試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

由圖5可知，表面粗糙度隨著每齒進(jìn)給量的增大整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)每齒進(jìn)給量等于0.08mm/z時(shí)，表面粗糙度取得最小值。其中每齒進(jìn)給量等于0.06mm/z時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最大值，不符合整體變化趨勢，這是由打印過程中不穩(wěn)定性因素致使的試件打印質(zhì)量不均勻性所致。根據(jù)此圖，在接下來的正交試驗(yàn)中每齒進(jìn)給量的參數(shù)范圍應(yīng)在0.08mm/z附近選取。

綜合上述分析，正交試驗(yàn)中切削深度在0.30mm～0.50mm區(qū)間范圍內(nèi)取值，主軸轉(zhuǎn)速在4200r/min～5000r/min區(qū)間范圍內(nèi)取值，每齒進(jìn)給量在0.070mm/z～0.090mm/z區(qū)間范圍內(nèi)取值。

3 正交試驗(yàn)

基于單因素試驗(yàn)的結(jié)果與分析，確定正交試驗(yàn)中各因素的水平選取如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)中所選因素的水平

針對因素及水平的選取個(gè)數(shù)，選用L16(45)正交表，不考慮各因素之間的相互影響，按照所選正交表對試驗(yàn)參數(shù)的組合完成銑削試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)具體銑削方案及試驗(yàn)結(jié)果

對表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

表中,Ki是因素所在列第i水平對應(yīng)的表面粗糙度值之和；ki是因素所在列第i水平對應(yīng)的表面粗糙度值的平均值；R是各列因素所對應(yīng)的極差值。

極差R越大，代表此因素對響應(yīng)指標(biāo)的影響越大。表4中比較各R值的大小，可得：0.376>0.365>0.051。所以在本試驗(yàn)中，對表面粗糙度影響最大的因素是主軸轉(zhuǎn)速，其次是切削深度，影響最小的是每齒進(jìn)給量。同時(shí)以各因素水平為橫坐標(biāo)，以相對應(yīng)的表面粗糙度平均值ki為縱坐標(biāo)，繪制的各因素與表面粗糙度關(guān)系圖如圖6～圖8所示。

圖6 切削深度對表面粗糙度的影響

圖7 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖8 每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

由圖6～圖8可知，隨著切削深度的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，變化趨勢明顯，當(dāng)切削深度等于0.40mm，表面粗糙度取得最小值。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，變化趨勢明顯，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速等于4700r/min，表面粗糙度取得最小值。隨著每齒進(jìn)給量的逐漸增大，表面粗糙度呈現(xiàn)出變化趨勢不明顯，當(dāng)每齒進(jìn)給量等于0.085mm/z時(shí)，表面粗糙度值取得最小值。

由表4和圖6～圖8可知，在不考慮交互作用的情況下，最優(yōu)方案應(yīng)取各因素最小k值所對應(yīng)的水平，即切削深度等于0.40mm，主軸轉(zhuǎn)速等于4700r/min，每齒進(jìn)給量等于0.085mm/z。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

按照所得最優(yōu)方案的銑削參數(shù)，即切削深度ap等于0.40mm，主軸轉(zhuǎn)速n等于4700r/min，每齒進(jìn)給量fz等于0.085mm/z，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。銑削后的試件如圖9所示，經(jīng)測量并計(jì)算平均值得到表面粗糙度Ra為1.26μm，小于優(yōu)化前各次試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)銑削后的試件

由驗(yàn)證試驗(yàn)中所測得的表面粗糙度Ra可知，按照最優(yōu)方案的銑削參數(shù)進(jìn)行銑削后，可以得到相較于優(yōu)化前更小的表面粗糙度值即更好的表面銑削質(zhì)量。這證明了本文對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析的正確性以及本試驗(yàn)中最優(yōu)銑削參數(shù)選取的合理性。

5 結(jié)論

對采用FDM型3D打印方式生產(chǎn)制造的PEEK材料試件進(jìn)行了曲面銑削的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究。經(jīng)過對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的綜合分析，得出以下結(jié)論：

(1)各因素對表面粗糙度Ra的影響程度由大到小依次是主軸轉(zhuǎn)速n、切削深度ap、每齒進(jìn)給量fz；

(2)在本次正交試驗(yàn)的參數(shù)水平選取范圍內(nèi)，隨著切削深度ap的增大，表面粗糙度Ra呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，變化趨勢明顯；隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增大，表面粗糙度Ra整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，變化趨勢明顯；隨著每齒進(jìn)給量fz的增大，表面粗糙度Ra上下波動(dòng)，變化范圍小，變化趨勢不明顯；

(3)對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到的最優(yōu)參數(shù)組合為切削深度ap等于0.40mm，主軸轉(zhuǎn)速n等于4700r/min，每齒進(jìn)給量fz等于0.085mm/z。