3D打印鈦合金構(gòu)件和鈦合金鍛件銑削加工性能對比研究

作者：王磊

3D打印是一種快速成型技術(shù),，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體,。由于3D 打印具有快速、成本低,、制作原型所用的材料沒有限制,、可加工各種形狀的零件、柔性和集成化程度高等工藝特點(diǎn),，近幾年來鈦合金3D 打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到了快速發(fā)展,。

由于3D打印鈦合金具有各向異性的特點(diǎn)，本文分析了3D打印鈦合金在不同方向的銑削加工性能,，同時在試驗過程中分別測量了切削力,、刀具磨損等數(shù)據(jù)，并根據(jù)測量值優(yōu)化加工參數(shù),，對比了兩種鈦合金材料的切削加工性能的差異,，為以后的加工生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1  試驗條件與方案
(1)試驗材料
如圖1所示,，試驗試件選用3D打印鈦合金塊料和鍛造TC4鈦合金塊料,，尺寸均為40mm×30mm×20mm。表1是TC4鈦合金材料的化學(xué)成分,。

(a)3D打印鈦合金        (b)鍛造TC4鈦合金

圖1  試件

表1  TC4鈦合金材料化學(xué)成分（wt.%）

(2)試驗設(shè)備
①加工機(jī)床：沈陽機(jī)床廠生產(chǎn)的VMC850E加工中心,；
②加工刀具：PVD金剛石涂層硬質(zhì)合金端銑刀，刀具參數(shù)為D8*25*70*4T,，圓周刃前角12°,，后角10°，螺旋角40°,；
③測力系統(tǒng)：KISTLER9272四向壓電式測力儀,、KISTLER5017B電荷放大器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),；
④其他：日本三豐的SJ201表面粗糙度儀、A615紅外熱成像儀,。

(3)正交試驗方案
分別進(jìn)行3D打印鈦合金材料和TC4鈦合金材料的基礎(chǔ)銑削加工試驗,，加工參數(shù)見表2，共18組,。試驗過程中無冷卻液,，便于加工過程中測量溫度；采用逆銑加工方式,。

表2  銑削加工參數(shù)

2  試驗結(jié)果與分析
(1)銑削力結(jié)果分析
對兩種材料的銑削力Fx進(jìn)行折線圖分析,，如圖2所示。

圖2  銑削力折線

圖3  5000/s下的流動應(yīng)力—應(yīng)變曲線

在同樣銑削加工參數(shù)下,，鍛造TC4鈦合金的銑削力Fx均大于3D打印鈦合金的銑削力Fx,，且高速銑削時前者的銑削力下降沒有后者明顯。這是因為鍛造TC4鈦合金雖然強(qiáng)度（硬度）稍差,，但其塑性非常好,，因而在加工過程中會出現(xiàn)塑性變形大、易粘刀等現(xiàn)象,，加劇刀具磨損和增大銑削抗力,，導(dǎo)致銑削力較大。3D打印鈦合金雖然強(qiáng)度高,，但塑性低,，在較大應(yīng)變速率下會產(chǎn)生絕熱溫升（見圖3），導(dǎo)致材料溫升軟化現(xiàn)象明顯,，銑削力大幅下降,。

對比分析兩種材料的切屑（見圖4）發(fā)現(xiàn)，3D打印鈦合金切屑卷曲幅度較小,，呈C形片狀,，易于斷屑，不容易纏刀,，且斷屑時塑性變形較小,，產(chǎn)生熱量較少；TC4鈦合金切屑卷曲幅度較大,，呈圓柱狀，容易纏屑粘刀,，斷屑時塑性變形大,，產(chǎn)生熱量較多，變形抗力也大,。綜上所述,，鍛造TC4鈦合金塑性較好,，加工過程中銑削力較大。

(a)3D鈦合金        (b)TC4鈦合金

圖4  相同加工參數(shù)下兩種鈦合金的切屑形貌

(a)3D打印鈦合金銑削力極差分析

(b)鍛造TC4鈦合金銑削力極差分析

圖5  加工參數(shù)對兩種材料銑削力的影響

對銑削力Fx進(jìn)行極差分析見圖5,�,？梢园l(fā)現(xiàn)，線速度對3D打印鈦合金銑削力的影響最大,，其次是軸向切深,，最后是每齒進(jìn)給量。線速度依次由40m/min提高到80m/min時,，銑削力Fx先增大后減小,。每齒進(jìn)給量和軸向切深的增大均會導(dǎo)致銑削力Fx的增大，其中軸向切深增量所導(dǎo)致的銑削力增量明顯大于每齒進(jìn)給增量所導(dǎo)致的銑削力增量,；對鍛造TC4鈦合金而言,，線速度對其銑削力Fx的影響最大，其次是每齒進(jìn)給量,，最后是軸向切深,。

(2)銑削溫度分析
由圖6可以看出，對3D打印鈦合金而言,，由于塑性不及鍛造TC4鈦合金,，故在同等加工參數(shù)下，前者銑削溫度均比后者低,。在較小的線速度下,，銑削溫度隨著軸向切深的增大會呈現(xiàn)一定幅度的下降，這種變化趨勢與鍛造TC4鈦合金一致,。隨著線速度逐漸增大,，特別是當(dāng)線速度提高到60m/min后，溫度突然從470℃升高到580℃是因為線速度大且軸向切深小,，刀具與工件表面的擠壓效果比較明顯,，且切屑較小，故而會導(dǎo)致一定的溫升,。隨著線速度進(jìn)一步增大至80m/min,，銑削溫度變化不再明顯，而是呈現(xiàn)小振幅振蕩,。這是因為3D打印鈦合金塑性較差,，較高的主軸轉(zhuǎn)速可以大幅減小材料的塑性變形，即使再增大主軸轉(zhuǎn)速,，其塑性變形也不再明顯,。

圖6  兩種材料的銑削溫度

(3)刀具磨損檢測與分析
從圖7a可以發(fā)現(xiàn)，鍛造TC4鈦合金加工刀具磨損較嚴(yán)重,，周刃處崩刃現(xiàn)象非常明顯,，基體材料脫落較嚴(yán)重,，且有大量鈦合金基體材料粘結(jié)在刀具周刃上。這是因為在鈦合金銑削加工過程中,，切削區(qū)域溫度較高且切屑應(yīng)變速率較大,，會造成一定程度的材料軟化，從而粘結(jié)在刀具上,。隨著積屑增多,，刀具刃口粗糙度增大而不再鋒利，進(jìn)一步增大了切削抗力,。另外,，在周刃后刀面上存在一些裂紋，隨著裂紋進(jìn)一步增大,，刀具刃口材料會慢慢脫落,，裸露出刀具基體材料。后刀面的涂層剝落現(xiàn)象也較為明顯,，使刀具基體材料直接與工件材料相互接觸,，加速了刀具周刃后刀面的磨粒磨損與擴(kuò)散磨損，降低刀具的使用壽命,。由圖7b可知,，銑刀周刃前刀面磨損較輕，基本只在刃口附近有崩刃和粘屑現(xiàn)象,，磨粒磨損現(xiàn)象并不明顯,，比較符合逆銑加工的特點(diǎn)。

(a)周刃后刀面磨損

(b)周刃前刀面磨損

圖7  鍛造TC4鈦合金加工刀具磨損

3D打印鈦合金加工刀具在周刃處也存在微崩刃和基體材料脫落,，且后刀面存在明顯的磨粒磨損劃痕,，但鈦合金基體材料粘結(jié)現(xiàn)象在周刃后刀面并不明顯（見圖8）。這是由于在鈦合金銑削加工過程中,，3D打印鈦合金材料硬度高,，故在加工過程中磨粒磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致后刀面磨粒磨損劃痕非常明顯,。而且由于材料硬脆性較大,，在加工過程中出現(xiàn)較小的塑性變形后基體材料便會脫落，因此材料去除過程產(chǎn)生的熱量少,，不容易粘屑,。在周刃后刀面上的磨損基本與鍛造TC4鈦合金一致。

(a)周刃后刀面磨損

(b)周刃前刀面磨損

圖8  3D打印鈦合金加工刀具磨損

相比于鍛造TC4鈦合金加工刀具,，3D打印鈦合金加工刀具磨損量較小,，周刃刃口處微崩刃較少，周刃后刀面粘屑現(xiàn)象也不明顯。故在同等加工參數(shù)下,，3D打印鈦合金材料加工刀具具有較長的壽命。

結(jié)語
（1）在相同銑削加工參數(shù)下,，鍛造TC4鈦合金的銑削力Fx均大于3D打印鈦合金的銑削力Fx,，且高速銑削時前者的銑削力下降沒有后者明顯；
（2）在相同加工參數(shù)下,，3D打印鈦合金材料的銑削溫度均低于鈦合金鍛件,；
（3）相同加工參數(shù)下，3D打印鈦合金材料加工刀具具有較長的壽命,；
（4）加工這兩種鈦合金材料時,，應(yīng)避免切削速度在60m/min左右，在條件允許的情況下,，可以采用低主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度,。

來源：《工具技術(shù)》  作者：王磊