3D打(da)印钛合(he)金(jin)构(gou)件(jian)和钛(tai)合金锻(duan)件铣(xi)削加(jia)工(gong)性(xing)能对(dui)比研(yan)究(jiu)

1、引(yin)言

3D打(da)印是一种(zhong)快速(su)成型技术(shu)，是以(yi)数(shu)字(zi)模型(xing)文(wen)件为基础，运用粉(fen)末状(zhuang)金(jin)属或塑(su)料等(deng)可粘合(he)材(cai)料，通过逐层打印(yin)的方(fang)式(shi)来(lai)构(gou)造物体(ti)。由于(yu)3D打印(yin)具(ju)有快(kuai)速、成(cheng)本低(di)、制(zhi)作原(yuan)型所(suo)用(yong)的材(cai)料没有(you)限(xian)制、可(ke)加(jia)工(gong)各种形状(zhuang)的(de)零件(jian)、柔(rou)性和集(ji)成化程度高等(deng)工(gong)艺特点，近几年来(lai)钛合(he)金(jin)3D打印(yin)技(ji)术在航(hang)空(kong)航(hang)天领域得到(dao)了(le)快速发(fa)展(zhan)。

由于(yu)3D打(da)印(yin)钛(tai)合(he)金具(ju)有(you)各(ge)向(xiang)异性(xing)的(de)特(te)点(dian)，本(ben)文分析了(le)3D打(da)印(yin)钛合金(jin)在不(bu)同方向(xiang)的(de)铣(xi)削加工性(xing)能，同时在(zai)试验过程(cheng)中分(fen)别(bie)测(ce)量了(le)切削力(li)、刀(dao)具磨损(sun)等(deng)数据(ju)，并(bing)根(gen)据测量(liang)值(zhi)优(you)化加(jia)工参数，对(dui)比了两(liang)种钛合(he)金材(cai)料的切削(xue)加工性(xing)能(neng)的(de)差异，为以后(hou)的(de)加工(gong)生产(chan)提(ti)供(gong)指导。

2、试验条(tiao)件与方(fang)案

(1)试验材(cai)料

如图(tu)1所示(shi)，试(shi)验(yan)试件(jian)选用3D打(da)印钛合金(jin)块(kuai)料(liao)和锻(duan)造TC4钛(tai)合金(jin)块料，尺寸均(jun)为(wei)40mmX 30mm×20mm。表1是(shi)TC4钛(tai)合(he)金材(cai)料的化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)。

(2)试验(yan)设(she)备

①加工机(ji)床：沈(shen)阳机床(chuang)厂(chang)生产的(de)VMC850E加(jia)工中(zhong)心；

②加(jia)工(gong)刀(dao)具(ju)：PVD金(jin)刚(gang)石涂层(ceng)硬(ying)质合金端(duan)铣刀，刀具参数(shu)为D8半(ban)25术(shu)70半(ban)4T，圆(yuan)周(zhou)刃(ren)前(qian)角(jiao)12。后角(jiao)10。，螺(luo)旋角(jiao)40。；

③测(ce)力(li)系(xi)统：KISTLER9272四(si)向压(ya)电式测力(li)仪、KISTLER5017B电(dian)荷(he)放大(da)器(qi)及相(xiang)应(ying)的(de)数据采(cai)集与(yu)处(chu)理系(xi)统(tong)；

④其他：El本(ben)三丰的SJ201表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)仪(yi)、A615红(hong)外热(re)成像仪。

(3)正交试(shi)验方案‘2‘4

分(fen)别进(jin)行3 D打(da)印(yin)钛(tai)合金(jin)材料和(he)TC4钛合金材(cai)料(liao)的(de)基础铣(xi)削加(jia)工(gong)试验(yan)，加工(gong)参(can)数(shu)见(jian)表(biao)2，共(gong)18组(zu)。

试(shi)验(yan)过程中无(wu)冷却液(ye)，便于(yu)加工过程中(zhong)测(ce)量(liang)温度(du)；采(cai)用(yong)逆(ni)铣(xi)加工方(fang)式。

3、试验结果(guo)与分析

3.1 铣削力结(jie)果(guo)分(fen)析(xi)

对两种材(cai)料的铣削力(li)只(zhi)进行折线(xian)图(tu)分(fen)析(xi)，如(ru)图2所示。

在(zai)同样(yang)铣(xi)削(xue)jJn-c参(can)数下(xia)，锻(duan)造TC4钛(tai)合金(jin)的铣削(xue)力(li)F。均大(da)于3D打印(yin)钛(tai)合金(jin)的铣(xi)削力(li)F；，且高(gao)速铣削时(shi)前者(zhe)的(de)铣(xi)削(xue)力下(xia)降没(mei)有后(hou)者(zhe)明(ming)显(xian)。这是(shi)因(yin)为(wei)锻(duan)造(zao)TC4钛合金(jin)虽然(ran)强度(du)(硬度)稍(shao)差(cha)，但(dan)其塑(su)性非常(chang)好(hao)，因(yin)而(er)在(zai)加工(gong)过(guo)程(cheng)中(zhong)会(hui)出现(xian)塑性(xing)变(bian)形(xing)大、易(yi)粘(zhan)刀(dao)等现象，加剧(ju)刀具磨损(sun)和(he)增大(da)铣削抗力(li)，导(dao)致(zhi)铣削(xue)力(li)较大。3D打(da)印(yin)钛合金虽然强度高(gao)，但(dan)塑性(xing)低，在较(jiao)

大应变(bian)速(su)率下(xia)会(hui)产(chan)生(sheng)绝热(re)温(wen)升(sheng)(见图3)，导(dao)致材料(liao)温升软化(hua)现(xian)象明显(xian)，铣削力(li)大幅(fu)下降。

对(dui)比(bi)分(fen)析(xi)两种材料(liao)的切屑(xie)(见(jian)图4)发(fa)现，3D打(da)印(yin)钛(tai)合金(jin)切(qie)屑卷曲(qu)幅度(du)较(jiao)小(xiao)，呈c形片(pian)状，易(yi)于断屑，不容易(yi)缠(chan)刀，且断(duan)屑(xie)时(shi)塑(su)性变(bian)形(xing)较(jiao)小(xiao)，产生热(re)量(liang)较少(shao)；TC4钛(tai)合金切(qie)屑(xie)卷曲(qu)幅度较(jiao)大，呈(cheng)圆柱状，容(rong)易缠屑(xie)粘(zhan)刀，断(duan)屑时(shi)塑性(xing)变形(xing)大(da)，产(chan)生热量较(jiao)多(duo)，变形(xing)抗力也(ye)大(da)。综上(shang)所述，锻(duan)造TC4钛合金(jin)塑性较(jiao)好(hao)，加工(gong)过(guo)程中铣削力较大(da)。

对铣削力F。进行(xing)极差(cha)分析见图5。可以(yi)发(fa)现，线(xian)速(su)度对(dui)3D打印(yin)钛合(he)金(jin)铣削(xue)力的影(ying)响(xiang)最(zui)大，其次(ci)是轴(zhou)向(xiang)切深(shen)，最(zui)后(hou)是每齿进(jin)给量。线速(su)度(du)依次(ci)由40m／min提高到80m／min时，铣(xi)削(xue)力F。先增大后(hou)减小。每(mei)齿(chi)进给(gei)量和(he)轴向切(qie)深(shen)的(de)增大均会导(dao)致铣(xi)削(xue)力F。的增大，其(qi)中(zhong)轴(zhou)向切深增(zeng)量所导致(zhi)的(de)铣削(xue)力增量(liang)明显大(da)于每(mei)齿进给增(zeng)量所(suo)导(dao)致的铣(xi)削(xue)力增量(liang)；对锻(duan)造(zao)TC4钛合(he)金而(er)言(yan)，线(xian)速(su)度(du)对(dui)其(qi)铣削(xue)力(li)F。的影响最(zui)大(da)，其(qi)次是每(mei)齿进给(gei)量(liang)，最后(hou)是轴(zhou)向切深。

3.2 铣(xi)削温度(du)分析

由图6可(ke)以(yi)看出，对3D打印钛(tai)合金(jin)而(er)言，由于塑性不(bu)及锻造(zao)TC4钛合金(jin)，故在(zai)同等(deng)加工(gong)参(can)数下，前者铣(xi)削温度均比后(hou)者(zhe)低。在(zai)较小(xiao)的线速度(du)下(xia)，铣削温度(du)随着(zhe)轴向(xiang)切(qie)深的增大会(hui)呈现(xian)一定幅(fu)度的(de)下降(jiang)，这(zhe)种变(bian)化(hua)趋(qu)势(shi)与锻(duan)造(zao)TC4钛合(he)金(jin)一(yi)致。随着(zhe)线速(su)度逐渐(jian)增(zeng)大(da)，特别是(shi)当线(xian)速(su)度提高到60m／min后(hou)，温度突然从(cong)470℃升(sheng)高(gao)到(dao)580℃是(shi)因(yin)为线(xian)速(su)度大且轴向切深(shen)小，刀具(ju)与(yu)工(gong)件(jian)表面(mian)的挤压效(xiao)果比较明显，且切屑较小(xiao)，故而会(hui)导(dao)致(zhi)一定(ding)的温(wen)升(sheng)。随着线(xian)速度(du)进一步(bu)增(zeng)大至(zhi)80m／min，铣(xi)削(xue)温(wen)度(du)变(bian)化(hua)不再明(ming)显，而是呈现(xian)小(xiao)振幅振(zhen)荡(dang)。这是因(yin)为(wei)3D打(da)印钛(tai)合(he)金塑性较(jiao)差(cha)，较高(gao)的主轴(zhou)转(zhuan)速可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)减小(xiao)材(cai)料的(de)塑性变形(xing)，即(ji)使(shi)再增(zeng)大主(zhu)轴(zhou)转(zhuan)速，其(qi)塑(su)性(xing)变形(xing)也不(bu)再(zai)明(ming)显(xian)。

3．3刀(dao)具磨(mo)损检测与分析

从图7a可以发现，锻造(zao)TC4钛合(he)金加工(gong)刀(dao)具磨损较严(yan)重，周(zhou)刃处(chu)崩(beng)刃(ren)现(xian)象非(fei)常明(ming)显(xian)，基体材料脱落(luo)较(jiao)严(yan)重，且有(you)大量钛合(he)金(jin)基体(ti)材(cai)料粘(zhan)结在(zai)刀具(ju)周(zhou)刃上。这是因(yin)为在钛合(he)金(jin)铣削加(jia)工(gong)过(guo)程(cheng)中(zhong)，切(qie)削(xue)区域(yu)温度较高且切屑应(ying)变速率(lv)较大(da)，会(hui)造(zao)成一定程度的(de)材料软(ruan)化，从(cong)而(er)粘(zhan)结在(zai)刀(dao)具(ju)上。随(sui)着(zhe)积屑增(zeng)多(duo)，刀具(ju)刃口粗糙度(du)增大(da)而不(bu)再锋利，进一(yi)步增(zeng)大(da)了(le)切削抗(kang)力。另外(wai)，在周刃(ren)后刀面(mian)上存(cun)在一(yi)些(xie)裂(lie)纹(wen)，随(sui)着(zhe)裂纹进一步增(zeng)大，刀具(ju)刃口(kou)材料会慢慢脱落，裸(luo)露(lu)出刀具基体(ti)材(cai)料。后(hou)刀面(mian)的涂层(ceng)剥落现(xian)象(xiang)也(ye)较为(wei)明(ming)显(xian)，使(shi)刀(dao)具基(ji)体(ti)材(cai)料(liao)直接与(yu)工件(jian)材料相互接(jie)触(chu)，加速(su)了刀(dao)具周(zhou)刃后(hou)刀面(mian)的磨粒磨损与(yu)扩(kuo)散磨(mo)损，降低刀(dao)具的(de)使用(yong)寿命。由(you)图7b可(ke)知(zhi)，铣刀周(zhou)刃前(qian)刀(dao)面(mian)磨(mo)损(sun)较(jiao)轻，基本(ben)只(zhi)在刃口(kou)附(fu)近有(you)崩(beng)刃和粘屑现(xian)象，磨(mo)粒(li)磨(mo)损(sun)现象并不(bu)明显(xian)，比(bi)较符合(he)逆铣(xi)加(jia)工(gong)的特点。

3D打印钛合金(jin)加工刀具(ju)在周(zhou)刃(ren)处也存在(zai)微崩(beng)刃和(he)基(ji)体材料脱(tuo)落(luo)，且后(hou)刀(dao)面(mian)存在(zai)明显的磨(mo)粒(li)磨(mo)损(sun)划(hua)痕，但钛合金(jin)基体(ti)材(cai)料粘(zhan)结(jie)现象在(zai)周(zhou)刃(ren)后刀面并不(bu)明显(见(jian)图(tu)8)。这(zhe)是(shi)由(you)于(yu)在(zai)钛合金(jin)铣(xi)削(xue)加工过程中，3D打(da)印(yin)钛合金材(cai)料(liao)硬(ying)度高(gao)，故在加工过程中磨粒磨(mo)损(sun)现(xian)象较(jiao)为(wei)严重，导(dao)致后刀面磨粒(li)磨损(sun)划(hua)痕(hen)非(fei)常明(ming)显。而(er)且由(you)于材(cai)料硬(ying)脆(cui)性(xing)较大，在(zai)加工过(guo)程中(zhong)出现较(jiao)小的塑性(xing)变形(xing)后基(ji)体(ti)材(cai)料便会(hui)脱落，因(yin)此(ci)材(cai)料去(qu)除(chu)过(guo)程(cheng)产(chan)生(sheng)的热量少(shao)，不(bu)容(rong)易(yi)粘屑。在(zai)周刃后(hou)刀面上(shang)的磨(mo)损基本(ben)与(yu)锻(duan)造(zao)TC4钛合(he)金(jin)一致(zhi)。

相(xiang)比于(yu)锻造TC4钛合(he)金加工刀(dao)具(ju)，3D打印钛合(he)金(jin)加工刀(dao)具(ju)磨(mo)损量较小(xiao)，周刃(ren)刃口(kou)处(chu)微(wei)崩刃(ren)较少(shao)，周(zhou)刃后刀面粘屑(xie)现象也不(bu)明显(xian)。故在(zai)同(tong)等加工(gong)参数(shu)下，3D打(da)印钛(tai)合金材(cai)料加工(gong)刀具(ju)具有(you)较(jiao)长的寿命。

4、结语

(1)在相同铣(xi)削加工参数(shu)下(xia)，锻(duan)造TCA钛合(he)金(jin)的(de)铣(xi)削(xue)力(li)只均大于(yu)3D打印钛合(he)金(jin)的铣削(xue)力E，且高速(su)铣(xi)削(xue)时前者(zhe)的(de)铣削(xue)力(li)下降没(mei)有(you)后(hou)者(zhe)明显；

(2)在相同加(jia)工参数(shu)下(xia)，3D打(da)印(yin)钛合(he)金(jin)材料(liao)的(de)铣(xi)削(xue)温度均低(di)于钛(tai)合金锻件；

(3)相同(tong)加工参(can)数下(xia)；3D打印钛(tai)合金材(cai)料(liao)加工(gong)刀(dao)具具有(you)较长(zhang)的(de)寿命(ming)；

(4)加(jia)工这(zhe)两种钛合金(jin)材(cai)料时，应(ying)避免切(qie)削速度在60m／min左右(you)，在(zai)条(tiao)件允许(xu)的(de)情(qing)况下，可(ke)以采(cai)用(yong)低(di)主轴转速和高进给(gei)速(su)度(du)。