3D打印鈦合金構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，是以數(shù)字模型文件為基礎，運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，近幾年來鈦合金3D 打印技術在航空航天領域得到了快速發(fā)展。

由于3D打印鈦合金具有各向異性的特點，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。

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鈦合金材料化學成分（wt.%）

(2)試驗設備
①加工機床：沈陽機床廠生產(chǎn)的VMC850E加工中心；
②加工刀具：PVD金剛石涂層硬質合金端銑刀，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
分別進行3D打印鈦合金材料和TC4鈦合金材料的基礎銑削加工試驗，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  試驗結果與分析
(1)銑削力結果分析
對兩種材料的銑削力Fx進行折線圖分析，如圖2所示。

圖2  銑削力折線

圖3  5000/s下的流動應力—應變曲線

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，導致銑削力較大。3D打印鈦合金雖然強度高，但塑性低，在較大應變速率下會產(chǎn)生絕熱溫升（見圖3），導致材料溫升軟化現(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進行極差分析見圖5。可以發(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。每齒進給量和軸向切深的增大均會導致銑削力Fx的增大，其中軸向切深增量所導致的銑削力增量明顯大于每齒進給增量所導致的銑削力增量；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，故而會導致一定的溫升。隨著線速度進一步增大至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，較高的主軸轉速可以大幅減小材料的塑性變形，即使再增大主軸轉速，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重，周刃處崩刃現(xiàn)象非常明顯，基體材料脫落較嚴重，且有大量鈦合金基體材料粘結在刀具周刃上。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變速率較大，會造成一定程度的材料軟化，從而粘結在刀具上。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。

(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)象較為嚴重，導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，可以采用低主軸轉速和高進給速度。

來源：《工具技術》  作者：王磊