羟磷灰石（HAP）铣削加工实验研究

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Study on the Miling Characteristics of Hydroxyapatite(HAP)YONG Yaowei(School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 75002 1，China)Abstract：Hydroxyapatite(HAP)is a widely used bio-ceramic in the fields of orthopedics and dentistry.The maehinability ofsolid form of HAP in end miling operations was studied. Machining efects of machining conditions such as cutting speed，feed andcutting depth on surface roughness and tool wear were focused on. Milling experiments analyses show that the surface roughness is bet-ter with high cuting speed and cuting depth，which are same as those of metal materia1. Furthermore，the britle assessment of HAPis found in the machined surface.And the tool wear is up to stable state in relatively short time，especialy in high cuting speed。

Keywords：Hydroxyapatite(HAP)；Milling；Machining conditions；Surface roughness；Tool wear随着现代加工、医学以及材料技术的发展，具有力学性能相容性和生物活性的人体替代材料越来越受到人类的关注，且越来越广泛地应用到人体组织的修复。每年全世界有上百万的人受到骨组织以及骨关节问题或疾病的困扰，有报道称：在发展中国家，50岁以上人群中有-半 的慢性疾病为骨组织或关节疾玻-般情况下，当骨组织/关节发生病变时，通常都需进行骨移植治疗。因此，就要求替代材料是具有生活活性、与骨组织成分相似且具有良好的力学性能的功能性材料。羟磷灰石满足这种特性要求。

羟磷灰石 (分子式写作Ca，。(PO ) (OH)：)是- 种生物活性材料，属于生物陶瓷材料同时又是复合材料，与人体中硬组织例如骨、牙齿等结构成分相同，且易于与人体组织相容，直接结合 ，所以被广泛应用在骨体移植和牙修复领域。通常应用羟磷灰石的方法有两种：第-种为涂层 (Coating)应用 ，即把该材料作为涂层涂镀在其他金属材料表面，以此来弥补由于磷灰石材料本身力学性能的不足之处，同时也可以防止金属材料与骨头不能结合产生的惰性，这样可以充分利用金属材料优良的力学性能和HAP优异的生物相容性和生物活性，提高骨组织的内成长能力；并减少了对人体释放的金属离子数目，依止了体液对金属的腐蚀作用 。常被涂镀的金属材料有钛合金、不锈钢等。当然，应用领域不同，被涂镀的材料不仅限于金属材料，例如有很多的复合材料被涂镀。第二种应用即作为填充材料 (Filer)使用，HAP以固态形式对缺损部分进行填充或者对某部分进行支撑 。

在涂层技术中，已有相对成熟的方法，但以固态形式存在的HAP材料往往由于本身力学性能的制约，其加工有-定的技术难度。现有文献表明：传统的固态 HAP通过模具压制并考察其各种力学性能 或生物活性等性能，但仍然不可避免要考虑最终的尺寸和几何精度，而且随着社会以及技术的进步，个性化需求日程趋势，造成模具成本往往较高 。所以有必要对 HAP材料的机械加工特性进行研究 ，从而达到缩减制造周期、降低生产成本的目的。最近也有学者研究了微细 HA材料的加工 ，考察在微细加工环境下的加工模式，至于机械加工如铣削加工则鲜有报道。

文中主要针对固态纳米 HAP材料进行铣削加工(由美国Pioneer Surgical Technologies(PsT)提供)，考察最终表面质量与加工参数之间的关系。通过机械铣削实验，调整切削参数如加工速度、进给量和切削深度来观察加工后的表面形貌以及刀具磨耗状态。

收稿日期：2012-02-04作者简介：雍耀维 (1980-)，男 ，讲师，研究方向为特种加工及难加工材料。E-mail：yywnxu###gmail.tom。

第5期 雍耀维：羟磷灰石 (HAP)铣削加工实验研究 -63·1 实验设计采用的工件为美国先锋公司提供的nHAP圆形工件，厚度为 10 mln，直径为35 mn'l，具体的力学参数见表 1，其密度为3 160 kg/m 。nHAP纳米羟磷灰石在力学性能上有很大提高，具体对比见表2。nHAP粒子的大小-般为1～100 nm，所以具有溶解度较高、比表面积大等优点，因而具有更好的生物活性，相应的力学性能如扭转、拉伸、疲劳抗力有所提高 。

表 1 纳米 HAP机械性能 (由PST公司提供 )注：1)试样尺寸为 4，3 mm×20 ram；2)试样尺寸为mil ×12.5 mm表2 HAP与 nHAP及其他材料性能对比 (由PST公司提供)在实验过程中，采用高精度数控铣床，干式切削，机床主轴转速最高可达20 000 r/min。在实验之前，对零件表面进行研磨，然后安装在夹具中，并用千分表进行表面水平测试。刀具采用美国肯纳公司螺旋角为 30。的双刃碳化钨立铣刀 (KennametM HEC125S2025 K600)，直径3 mm。

加工后表面通过表面粗糙度仪 (型号 MitutoyoSJ-4000)测试，每次测量加工面3次取平均值，并通过光学显微镜观察其表面形貌。

由于nHAP材料属于生物陶瓷材料，所以具有陶瓷材料具有的脆性。HAP材料的机械加工特性在传统加工参数内较差，所以要取得较好的加工效果，应对加工参数进行调整。根据加工类似脆性材料特性的玻璃类材料” 选定参数进行实验，最终扔工参数见表 3。

表3 铣削加工参数切削速度/(in·rain )进给速度/(mm·齿 )切削深度/ram100，1700.O02.0.0180.1，0.2，0.42 结果与讨论在此次研究过程中，对加工后的表面形貌、刀具磨损以及切屑颗柳行整理分析，以此来分析 nHAP的铣削加工特性。表面的微观裂纹以及表面状态对最终的形貌有较大影响，采用高倍显微镜观察；切屑颗粒有助于理解 HAP材料的表面形成，也有利于建立表面形貌及材料结构之间的纽带桥梁；而对刀具损耗的分析则对刀具选择有着重要的指导意义，选择正确合理的刀具有助于提高加工效率以及加工特性，同时可以降低加工中产生的损耗从而达到降低加工成本的目的。

2.1 表面粗糙度表面粗糙度 Ra通过表面粗糙度仪 (型号 Mitu。

toyo SJ-4000)测量。图 1是 测试切 削速 度 为 170m/min、进给为 0.002 mm/齿、切深为 0.1 mm时表面形貌，图2表示了在切削速度为100 m/rain时在不同切削深度和不同进给速度时的表面粗糙度，图3表示了切削速度为 170 m/rain时对应的粗糙度。

鲁i 寇栏暄图 1 切削速度为 170 m/rain，进给为 0.002 mm/齿，切深为0.1 mm时表面形貌暑i 圈i鼙喧21.81.61.4l2l0.80.60.40.1 0.2 0.3 0.4切削深度，mm图2 切削速度为 100 图3 切削速度为 170m/rain对应表 m/rain对应表面粗糙度 面粗糙度从图2中发现：随着切削深度增大，其表面粗糙度呈减小趋势；当切削深度从0.1 mm增加至0.2 mm时，表面质量会明显提高，而进-步增加切削深度，会呈现出表面粗糙度提高趋势减缓或者反弹。从图3中也可以观察出类似结果，但是在进给速度为0.002nun/齿时呈现出表面粗糙度增加的趋势。对比图2以及图3：当切削深度从0.1 mm至0.2 mm时，表面粗糙度都会减小；由于 HAP材料为脆性材料，在材料被切除时，切削过程和塑性材料不同，材料-般会在力的作用下直接发生断裂。如果切削深度很小，材料很容易发生断裂，且与周边材料之间的挤压力较小，切屑呈大颗粒状，因此，产生的表面加工坑较大，表面粗糙度会很大。当但增加切削深度，那么周边材料对即将被切除的材料呈现较大的挤压力，因此产生的切屑不会增大，对应产生的表面质量有所提高；进-步提高切削深度，随着进给速度和切削速度的变化，表面质量也出现不同的变化，但总体仍然呈下降趋势。