3D打印鈦合金構(gòu)件和鈦合金鍛件銑削加工性能對(duì)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(shí)在試驗(yàn)過程中分別測(cè)量了切削力、刀具磨損等數(shù)據(jù)，并根據(jù)測(cè)量值優(yōu)化加工參數(shù)，對(duì)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(yàn)條件與方案
(1)試驗(yàn)材料
如圖1所示，試驗(yàn)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(yàn)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(cè)力系統(tǒng)：KISTLER9272四向壓電式測(cè)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(yàn)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(yàn)，加工參數(shù)見表2，共18組。試驗(yàn)過程中無冷卻液，便于加工過程中測(cè)量溫度；采用逆銑加工方式。

表2  銑削加工參數(shù)

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)銑削力結(jié)果分析
對(duì)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(dòng)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(shí)前者的銑削力下降沒有后者明顯。這是因?yàn)殄懺霻C4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(huì)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(huì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)兩種材料銑削力的影響

對(duì)銑削力Fx進(jìn)行極差分析見圖5�？梢园l(fā)現(xiàn)，線速度對(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)鍛造TC4鈦合金而言，線速度對(duì)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(duì)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(huì)呈現(xiàn)一定幅度的下降，這種變化趨勢(shì)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?yàn)榫�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(huì)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?yàn)?D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(cè)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?yàn)樵阝伜辖疸娤骷庸み^程中，切削區(qū)域溫度較高且切屑應(yīng)變速率較大，會(huì)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(huì)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(huì)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)的壽命；
（4）加工這兩種鈦合金材料時(shí)，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