新型β型医用钛锆铌合金小孔钻削性能研究

发布时间：2020-06-07 06:17

【摘要】：新型β型医用钛锆铌合金具有较高的比强度、弹性模量低、良好的生物相容性和耐腐蚀性等优点,是替代目前常用的含钒钛合金的理想齿科植入材料。但由于其化学活性高、低热导率和弹性模量,钛锆铌合金又是一种典型的难加工材料,在加工过程中的粘着特性也增加了其钻削的难度。本文针对钛锆铌合金牙科材料的粘刀严重、钻孔质量差和刀具磨损快等问题,以牙科种植体内孔加工过程为研究对象,使用直径为2mm的AlTiN涂层硬质合金麻花钻头对新型β型钛锆铌合金进行单因素小孔钻削实验。利用实验研究的方法,研究了钻削参数(切削速度和进给速度)、钻孔方式(啄钻和传统钻削)和冷却方式(干切、浇注式冷却、低温冷风、微量润滑、低温喷雾冷却)等对轴向钻削力、振动、钻孔质量、切屑形貌和刀具磨损等的影响。为新型β型生物医用钛锆铌合金的小孔钻削应用提供实验参考及理论支持。本文主要研究结论如下:(1)新型β钛锆铌合金的钻削力和振动动态特征随着切削速度的增大,轴向力有总体减小并慢慢趋于稳定的变化趋势,当进给速度增大时,轴向力不断增大;传统钻削方式的轴向力总体啄钻方式略小;在五种不同冷却方式下,微量润滑条件下轴向力最小;随着钻孔数量的增加,不同冷却方式下的轴向力都有所上升,其中干切和低温冷却方式的轴向力上升得最快,另外三种冷却方式的钻削力上升缓慢。在不同钻削参数下,发现振动幅值随着切削速度的增加或进给速度的减小而增加,与轴向力变化相反;在MQL冷却方式下,X、Z方向的振动幅值最小,分别为 0.0287m/s~2、0.047lnm/s~2。(2)新型β钛锆铌合金的钻孔质量不同钻削参数对表面粗糙度的影响没有明显的规律,在Vc=30m/min,f=20mm/min时平均表面粗糙度最小,为Ra=1.213μm;在五种不同冷却方式中,浇注式冷却获得最小的孔壁表面粗糙度为1.319μm;发现切削速度为40m/min和45m/min时,小孔内壁表层出现轻微加工软化现象,软化程度分别为4.1%和5.6%,干切和低温加工时孔壁附近出现轻微的加工硬化现象,硬化程度分别为5.1%和6.7%;五种冷却方式中,低温冷却方式的小孔入口毛刺的平均值最大,达到了 100μm,其中MQL冷却方式的小孔入口毛刺平均高度仅为44μm;MQL冷却方式下,小孔的表面质量最好,表面材料附着较少,而干切和低温冷却方式下孔壁有明显的材料涂覆现象。传统钻孔方式的总体小孔孔径精度比啄钻更好,在切削速度为25m/min、进给速度为15mm/min时,传统钻孔方式的孔径偏差最小;在不同冷却方式中,MQL冷却方式下钻出的小孔孔径最接近于钻头直径,孔径精度最好。(3)新型β钛锆铌合金钻孔切屑形成机理对新型β-Ti-65Zr-20Nb合金切屑分析发现,从切屑的宏观形貌看,传统钻削的切屑形态主要是连续长带状卷曲切屑和紧密重叠的连续长带状切屑,而啄钻方式的切屑形态主要为连续短螺旋圆锥形和折叠形切屑;切屑最大长度随着切削速度的增加而变小。从切屑的微观形貌看,随着进给速度增加,自由表面锯齿条纹间距变小,扭曲变形增加,切屑在边缘处和内部产生的裂纹变少;不同钻削方式下切屑微观形貌差别不大。(4)刀具的磨损特性研究了不同冷却方式的对AlTiN涂层硬质合金麻花钻头后刀面磨损的影响,从刀具磨损曲线可以发现,在钻削30个孔后,干切和低温冷却方式下的钻头已经出现严重的破损和崩刃,失去钻削能力,;在微量润滑、低温喷雾冷却和浇注式冷却方式下钻削150个孔后,钻头的后刀面磨损量均未超过40μm,且微量润滑和浇注式冷却方式的磨损量很接近,分别为32.31μm和32.51μm;硬质合金涂层钻头在微量润滑、低温喷雾冷却和浇注式冷却下钻削150个孔后都出现钻头微崩刃的现象,还发现在浇注式冷却方式下使用的钻头出现了明显的氧化现象。由能谱分析图可知,钻削150个孔后,在MQL冷却方式下钻头发生了粘结磨损,在CMQL和Flooded冷却方式下钻头发生了扩散磨损,三种冷却方式下钻头都发生了磨粒磨损和氧化磨损。
【图文】：

Ｆｉｇ．１－１邋Ｒｏｘｏｌｉｄ？邋ｉｍｐｌａｎｔ逡逑国外的学者对于钛锆合金种植体的特性与应用研究比国内更早，且更加成熟。市场逡逑上用于临床的第一个新型钛锆合金小直径植入体是Ｒｏｘｏｌｉｄ？，如图１－１，根据ＩＳＯ邋１４８０１逡逑的内部测试，该植入体的抗拉强度是ＣｐＴｉ的１５０％，疲劳强度值为２３０Ｎ，有着与纯钛逡逑相仿的骨结合性能，，该种植体具有更好的综合性能［２２，２３］。有学者对Ｔｉ－Ｚｒ合金的骨内植逡逑入体进行了临床医学应用研宄，发现用Ｔｉ－Ｚｒ二元合金制造的小直径种植体具有比常规逡逑的冷加工的ＩＶ级钛植入体提高了邋４０％的强度，且比ＴＣ４钛合金具有更好的耐腐蚀性能逡逑和生物相容性｜２４］。Ｃｈｉａｐａｓｃｏ［２５１等人使用３．３ｍｍ的窄直径种植体ＳｔｒａｕｍａｎｎＲｏｘｏｌｉｄ？为逡逑１８名患者做了牙齿修复手术，如图１－２，并对他们进行为期１２个月的观察，发现植入逡逑体体周围的骨吸收最大仅为ｌｍｍ，该植入体具有优良的骨结合特性，植入体的成功率逡逑为邋１００％，。Ｂｏｙｎｔｏｎ［２６］等采用邋９３邋枚邋３．３邋ｍｍ邋的窄直径种植体邋Ｓｔｒａｕｍａｎｎ邋Ｒｏｘｏｌｉｄ「Ｍ邋为邋６４逡逑例患者进行了牙齿修复手术

新型ｊｇ型医用铁结■银合金小孔钻削性能研究逡逑ＩＯＡＮＮＩＤＩＳ邋ＡＭ等人使用３．３ｍｍ的窄直径钛锆种植体进行了临床实验，发现钛锆逡逑合金种植体能够成功地与骨组织结合，种植体在３年内都能稳定使用。如图１－３，邋Ｂａｒｔｅｒ逡逑等通过对２０名患者进行两年的随访证实，与３．３ｍｍ的ＩＶ级纯钦小直径植入体相比，逡逑３．３ｍｍ的钛锆合金（其中含Ｚｒ：邋１３％－１５％）小直径植入体的恢复效果很好，使用２年后发逡逑现植入体周围的软组织都很健康，平均牙周袋深度探诊在２．２１－２．８９ｍｍ之间［２８＾Ａ１－Ｎａｗａｓ逡逑等人随访了邋８７例进行假牙修复的病人，经过６－１２个月后发现３．３ｍｍ含Ｚｒ量为１３％的逡逑钛锆合金小直径植入体在骨水平的改变、龈沟出血和菌斑附着等方面的疗效都不比逡逑３．３ｍｍ的ＩＶ级纯钛小直径植入体差，这两种植入体的成功率分别为９６．６％和９４．４％［２９］。逡逑１１１１邋｜｜｜｜Ｈ邋１１１１１邋［［

本文编号：2700984