增材(cai)制造(zao)钛(tai)合金(jin)的(de)微(wei)铣(xi)削(xue)加(jia)工(gong)试(shi)验

为(wei)了(le)保证(zheng)精(jing)密零(ling)部(bu)件在(zai)特(te)殊条(tiao)件下(xia)的正常(chang)使用(yong)，航空航天(tian)、国(guo)防科(ke)技(ji)和(he)生(sheng)物医(yi)疗等重要(yao)领(ling)域(yu)对于材料(liao)性能(neng)提(ti)出了(le)极(ji)为苛(ke)刻(ke)的要求(qiu)。钛合金材(cai)料(liao)同时兼备(bei)了上述(shu)领(ling)域所需的(de)材(cai)料性(xing)能，具(ju)有较强的抗腐(fu)蚀能力、较高(gao)的(de)比(bi)强度、较(jiao)好的材料韧性(xing)以(yi)及较(jiao)强(qiang)的生(sheng)物(wu)兼(jian)容(rong)性，继而(er)成(cheng)为(wei)了(le)应用(yong)于(yu)这些(xie)重(zhong)点领域(yu)的(de)重要(yao)材(cai)料(liao)［13］。尤其(qi)是(shi)在(zai)航空航天领(ling)域(yu)中，钛(tai)合(he)金材料(liao)被广(guang)泛应用于各(ge)种(zhong)结(jie)构(gou)件(jian)、发动(dong)机(ji)零(ling)部件(jian)、燃(ran)气涡轮(lun)叶(ye)片等重(zhong)要(yao)部件中。随着航空航(hang)天的发展，各部件肩(jian)负(fu)的(de)功(gong)能日益(yi)增(zeng)多(duo)，且结构(gou)趋(qu)向(xiang)复杂化(hua)，传统的(de)材料成(cheng)型工艺(yi)难以快(kuai)速(su)构造出复杂的(de)结(jie)构特征(zheng)，无(wu)法(fa)满(man)足(zu)航空(kong)航(hang)天领(ling)域(yu)对(dui)于(yu)复杂产品快速(su)制备(bei)的(de)需求(qiu)［4］。随(sui)着金属增材制造(zao)技术(shu)趋向成(cheng)熟(shu)，其(qi)凭(ping)借快(kuai)速性、低成(cheng)本、生(sheng)产周(zhou)期短(duan)和适用(yong)性强等(deng)优(you)势［57］，为(wei)生产(chan)加工(gong)复杂零部(bu)件(jian)提供(gong)了新(xin)的思路和(he)解决(jue)方法(fa)。增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)钛合金(jin)与(yu)锻(duan)造钛合(he)金(jin)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)材(cai)料性能差异(yi)［8］，比(bi)如硬(ying)度(du)、塑(su)性等，这(zhe)种差(cha)别(bie)对(dui)后(hou)处理(li)加工(gong)会(hui)产(chan)生一(yi)定(ding)的影(ying)响，对于(yu)推(tui)动(dong)增(zeng)材(cai)制造钛(tai)合(he)金的应用(yong)同(tong)样(yang)也提出了一(yi)定的挑(tiao)战。为(wei)解(jie)决(jue)这一问(wen)题(ti)，许多(duo)学者(zhe)针对(dui)增材(cai)制造(zao)钛合(he)金(jin)展开了研究(jiu)。

Khorasani等(deng)［9］使用球头(tou)铣(xi)刀(dao)对(dui)激光(guang)选(xuan)区(qu)熔(rong)化(hua)（Selectivelasermelting，SLM）技(ji)术制造的(de)Ti6Al4V假肢髋(kuan)臼壳的内表面(mian)进(jin)行(xing)铣削(xue)加工(gong)，通(tong)过(guo)仿(fang)真和(he)试验(yan)分析了铣刀(dao)和工(gong)件(jian)变(bian)形的(de)问题。Campos等(deng)［10］采(cai)用(yong)无涂层的硬(ying)质合金方(fang)头铣刀对SLM技(ji)术制备(bei)的Ti6Al4V进(jin)行微细(xi)铣(xi)削(xue)，并与(yu)普(pu)通钛(tai)合金(jin)样品(pin)进(jin)行了比(bi)较，发现(xian)SLM试验(yan)样(yang)品(pin)具(ju)有(you)更(geng)高的(de)强(qiang)度、硬(ying)度(du)，且加工过(guo)后其(qi)产生的毛(mao)刺更(geng)少(shao)。战(zhan)祥鑫(xin)等［11］使用(yong)YG类(lei)硬质(zhi)合金铣刀(dao)对增(zeng)材制(zhi)造(zao)钛(tai)合(he)金进行铣削(xue)试验(yan)，从材料性能、加工流程(cheng)、加(jia)工设备(bei)、加(jia)工(gong)刀具、加工(gong)路(lu)径规(gui)划和切(qie)削参数等(deng)方(fang)面(mian)进行研究，获得(de)了(le)较好的产品表面质(zhi)量和较优的(de)切削(xue)参(can)数。AlRubaie等［12］利(li)用(yong)涂(tu)有物(wu)理(li)气相(xiang)沉(chen)积(Physicalvapordeposition,PVD)TiAlN涂层(ceng)的(de)硬质(zhi)合金(jin)刀具(ju)进(jin)行(xing)铣削(xue)试(shi)验，将常规钛(tai)合(he)金、SLM钛(tai)合(he)金以(yi)及(ji)SLM去(qu)应力钛合金(jin)三者(zhe)进行(xing)对(dui)比，试验结果(guo)表明(ming)SLM工(gong)艺引起的材(cai)料(liao)微观组(zu)织(zhi)变化(hua)以(yi)及硬(ying)度和(he)残余(yu)应(ying)力的增(zeng)加并(bing)没有(you)导(dao)致材(cai)料发生(sheng)足够(gou)大(da)的(de)加工行为(wei)差异，加工(gong)常规钛合(he)金(jin)的切(qie)削参数(shu)同样(yang)适用(yong)于(yu)SLM制(zhi)备(bei)的钛合(he)金(jin)。虽然(ran)金属增材(cai)制(zhi)造技术(shu)能(neng)够解(jie)决(jue)复杂、精(jing)密(mi)的钛合(he)金(jin)零部(bu)件(jian)的(de)制备(bei)问(wen)题(ti)，但(dan)是(shi)现(xian)有金(jin)属增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)技(ji)术制(zhi)备出的(de)零(ling)部(bu)件(jian)通(tong)常(chang)无(wu)法(fa)直接(jie)满足精(jing)密产(chan)品(pin)的应用(yong)要求，往(wang)往(wang)需(xu)要(yao)通过后处理加(jia)工使(shi)其达到(dao)所要(yao)求(qiu)的加(jia)工(gong)尺寸、精度(du)等(deng)［13］。微铣(xi)削(xue)工(gong)艺具有材(cai)料适(shi)用性广(guang)、加(jia)工精度(du)高(gao)、生产(chan)成本(ben)低(di)且生产周(zhou)期(qi)短等(deng)多(duo)种(zhong)优势，能(neng)够(gou)在三(san)维(wei)立体表(biao)面(mian)进行复杂(za)特征的(de)加(jia)工(gong)，该(gai)技术已(yi)经成为微切削加工中的(de)重(zhong)点(dian)研究对象(xiang)［1415］。并(bing)且，在(zai)对(dui)锻(duan)造(zao)钛(tai)合金进行(xing)精细(xi)结(jie)构(gou)加工(gong)时，同(tong)样(yang)需(xu)要(yao)微铣削工(gong)艺(yi)的(de)参与，因(yin)此研(yan)究不(bu)同制造工(gong)艺(yi)的钛合(he)金(jin)材(cai)料(liao)的微铣(xi)削加(jia)工性能对于推动钛合(he)金(jin)材料(liao)的进一(yi)步应用(yong)具有重(zhong)要(yao)意(yi)义(yi)。钛合金(jin)材料的(de)导热(re)率(lv)差、切(qie)削温度高且容(rong)易使(shi)硬质合(he)金(jin)刀具发(fa)生(sheng)粘(zhan)结磨损，是典(dian)型(xing)的(de)难加(jia)工材料［1618］。现(xian)有(you)的(de)研究发现(xian)，传统(tong)的硬(ying)质合(he)金(jin)刀(dao)具在(zai)加(jia)工(gong)钛合金时存(cun)在(zai)加(jia)工精(jing)度较差、刀具寿命过(guo)短(duan)以(yi)及(ji)刀(dao)具(ju)磨损大等问题［1921］。选(xuan)用(yong)超(chao)硬(ying)材(cai)料(liao)刀具对钛(tai)合金进(jin)行(xing)加(jia)工是获(huo)取高(gao)精度(du)、高质(zhi)量(liang)的(de)加工(gong)表面(mian)的(de)重要手(shou)段(duan)［22］。聚晶金(jin)刚石（Polycrystallinediamond，PCD）刀具依靠耐(nai)磨性好、刀具散热好等(deng)优势，成为(wei)难加工(gong)材料获取高质(zhi)量(liang)加(jia)工(gong)表面的关(guan)键(jian)工具［23］。Hao等［24］通(tong)过(guo)微铣(xi)削试(shi)验(yan)，从(cong)表面(mian)粗糙度(du)、铣削(xue)力和刀具(ju)磨(mo)损等(deng)方(fang)面(mian)验(yan)证了(le)PCD超(chao)硬(ying)材料(liao)微(wei)细铣刀(dao)的(de)加(jia)工(gong)性能(neng)优于传统硬质(zhi)合(he)金(jin)微(wei)细(xi)铣刀(dao)。冯素(su)玲(ling)等［25］通过(guo)高(gao)速(su)铣(xi)削钛合金(jin)试验(yan)，发现了PCD刀(dao)具寿命(ming)比硬质(zhi)合金(jin)刀(dao)具(ju)增(zeng)加(jia)了4倍左(zuo)右(you)，并(bing)且(qie)能够获(huo)得(de)更(geng)小的(de)表面粗(cu)糙(cao)度(du)。Wu等(deng)［26］对纯(chun)钨(wu)进(jin)行(xing)微铣削试验(yan)，提出(chu)PCD刀具(ju)可(ke)以(yi)在(zai)更宽的(de)范围中(zhong)选(xuan)择(ze)加(jia)工参数(shu)进(jin)行(xing)加工(gong)，且(qie)PCD刀(dao)具(ju)的加工(gong)质(zhi)量(liang)和(he)刀(dao)具寿(shou)命均(jun)要优(you)于(yu)商(shang)用(yong)碳化(hua)钨螺(luo)旋铣刀(dao)。上述(shu)的研究(jiu)都表(biao)明(ming)，PCD刀(dao)具比硬质合(he)金刀(dao)具更适用(yong)于(yu)难(nan)加工(gong)材(cai)料的(de)加(jia)工(gong)。虽然目前(qian)已(yi)有学者将(jiang)增(zeng)材(cai)制造(zao)钛合金(jin)与锻(duan)造(zao)钛(tai)合金(jin)进行对比(bi)研究，但(dan)多(duo)是选用(yong)传统硬质合(he)金作为对(dui)比试(shi)验(yan)的加(jia)工(gong)刀(dao)具。采用超(chao)硬(ying)材(cai)料(liao)刀具对(dui)增(zeng)材(cai)制造(zao)钛(tai)合金及(ji)锻(duan)造(zao)钛(tai)合(he)金进(jin)行(xing)加工性(xing)能(neng)对(dui)比的研(yan)究还(hai)相对(dui)较(jiao)少(shao)。本(ben)文(wen)选(xuan)用PCD微(wei)铣刀开(kai)展了(le)微(wei)铣(xi)削试(shi)验(yan)，从铣削(xue)力(li)、顶(ding)端(duan)毛刺(ci)和表面(mian)粗(cu)糙度(du)等(deng)方面(mian)入手，对比了锻(duan)造钛合(he)金、SLM钛合金(jin)以及SLM热(re)处(chu)理(li)钛合金的微铣(xi)削(xue)加工性能(neng)。根(gen)据本研究的试(shi)验结果(guo)能(neng)够(gou)有针(zhen)对(dui)性(xing)地对(dui)不同制造工艺(yi)的钛(tai)合金材料进行(xing)加工参数的优(you)化(hua)，以(yi)便(bian)获(huo)得更(geng)好的加(jia)工(gong)质(zhi)量(liang)。

1、试(shi)验(yan)设(she)置

本文(wen)选(xuan)用(yong)直径为(wei)1mm的单(dan)刃PCD微(wei)铣刀(dao)作为开(kai)展(zhan)微(wei)铣削试验的刀(dao)具(ju)，刀刃长度为5.5mm，刀具前(qian)角(jiao)为(wei)0°，后(hou)角为(wei)7°，底刃倾角(jiao)λ为(wei)3°，如(ru)图(tu)1所(suo)示。

试验(yan)前(qian)使(shi)用基恩(en)士(shi)超景(jing)深(shen)显微镜(jing)VHX1000检(jian)测确(que)认刀具(ju)刃口(kou)保(bao)持(chi)完(wan)好(hao)，并测得(de)刀尖(jian)圆(yuan)弧(hu)半径(jing)rε为(wei)6.9μm，刃口(kou)圆弧(hu)半(ban)径(jing)rβ为7.1μm。本文选用的3种(zhong)试验(yan)材(cai)料包(bao)括：锻(duan)造(zao)的标(biao)准钛合(he)金(jin)材料(liao)、激光(guang)选区(qu)熔化技术(shu)制备的(de)未经过热处(chu)理和(he)经过热(re)处(chu)理的(de)钛合(he)金材料，本(ben)文在后续(xu)将3种(zhong)不同制造工(gong)艺的(de)钛(tai)合(he)金材(cai)料分别(bie)简写(xie)为(wei)：锻造、SLM以及(ji)SLM热(re)处理。3种(zhong)不(bu)同制(zhi)造工(gong)艺(yi)的钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)的牌(pai)号(hao)均为(wei)TC4，其对应(ying)的力学性能参(can)数(shu)如(ru)表1所示。

增材制(zhi)造(zao)钛(tai)合(he)金由(you)飞而康(kang)快(kuai)速制造科(ke)技有(you)限责(ze)任公司制(zhi)备，选(xuan)用的激(ji)光功率(lv)为360kW，扫描速度为(wei)1700mm/s，粉(fen)末(mo)粒度(du)直径(jing)为15~53μm。对增(zeng)材制(zhi)造(zao)钛合(he)金的热处理(li)温(wen)度为800℃，采用(yong)室(shi)温(wen)冷却(que)。本试(shi)验(yan)利(li)用电火(huo)花(hua)线(xian)切割(ge)技术(shu)将(jiang)3种钛合金(jin)材料都切(qie)割(ge)成尺(chi)寸为(wei)4mm×10mm×35mm的(de)试验(yan)工件(jian)，并(bing)从左到右按照SLM热处理(li)钛(tai)合金(jin)、SLM钛合(he)金、锻(duan)造(zao)钛(tai)合(he)金(jin)的顺序将其(qi)排布(bu)在(zai)转(zhuan)接(jie)板上，如图2（a）所示(shi)。摆放工(gong)件时，根据(ju)打印方(fang)向(xiang)，将(jiang)两种增(zeng)材(cai)制造钛(tai)合金(jin)材(cai)料按照相同的(de)方向(xiang)进行摆放(fang)，消除(chu)各向(xiang)异(yi)性对试(shi)验(yan)结果(guo)的影(ying)响(xiang)。微(wei)铣削试(shi)验设(she)置(zhi)如图2（b）所示(shi)，试验(yan)在北(bei)京(jing)精(jing)雕(diao)JDGR200T五轴高速加(jia)工(gong)中(zhong)心(xin)上进(jin)行，采用(yong)Kistler9257B测力仪对铣(xi)削(xue)力进行(xing)收(shou)集(ji)，Kistler9257B测(ce)力仪(yi)的Fx、Fy、Fz的(de)分辨(bian)率(lv)均(jun)为(wei)0.01N。分析铣削力时，首(shou)先对测(ce)得(de)的(de)原始(shi)数(shu)据(ju)采(cai)用(yong)低(di)通(tong)滤波，获(huo)得较为稳(wen)定(ding)的力信号，然(ran)后在每(mei)组(zu)铣削(xue)力信号(hao)上选(xuan)取(qu)4个(ge)不同的稳定切(qie)削(xue)时的(de)位置(zhi)测(ce)量最(zui)大值，取(qu)平(ping)均值(zhi)作为铣削力的(de)最(zui)终(zhong)测(ce)量(liang)结(jie)果(guo)。

微铣削试验参数(shu)如表(biao)2所示(shi)，分(fen)别选择4种不同(tong)水(shui)平(ping)的(de)主轴(zhou)转速(su)、铣削深(shen)度和(he)每(mei)齿进(jin)给(gei)量对(dui)3种(zhong)不同(tong)制造工艺的钛(tai)合(he)金进(jin)行(xing)单因(yin)素(su)微(wei)铣(xi)削(xue)试验。

试验全(quan)程(cheng)采用水(shui)基切削(xue)液进行冷却(que)。每(mei)次试验(yan)都一(yi)次(ci)性以(yi)相同的铣削参数(shu)对(dui)3种不同(tong)制(zhi)造(zao)工艺(yi)的(de)钛(tai)合(he)金材料(liao)进(jin)行(xing)铣(xi)削。为(wei)了(le)保(bao)证(zheng)工(gong)件拥有良(liang)好的平面度(du)，以便精(jing)确(que)进(jin)行试验，微(wei)铣削试(shi)验开始前(qian)对(dui)所(suo)有工(gong)件表(biao)面进(jin)行面(mian)铣(xi)削，确保(bao)所有试验工(gong)件的(de)高度一(yi)致。试(shi)验结(jie)束(shu)后(hou)，将试(shi)验(yan)工件从(cong)工(gong)作(zuo)台上拆下(xia)，利用基恩士(shi)超(chao)景深显(xian)微(wei)镜VHX1000对铣槽(cao)顶端(duan)毛刺宽度(du)进行检(jian)测(ce)。如图(tu)3所示，利用(yong)基恩士(shi)超景(jing)深显微(wei)镜VH1000测(ce)量(liang)顶端毛刺(ci)宽度(du)，在(zai)铣(xi)槽(cao)顶(ding)端毛刺(ci)均匀生(sheng)成的区域进(jin)行(xing)检测(ce)，分(fen)别(bie)选(xuan)取(qu)5个不(bu)同位置(zhi)测(ce)量，并取(qu)平均值作(zuo)为(wei)顶(ding)端(duan)毛刺(ci)宽度测(ce)量(liang)的(de)最终结(jie)果。检(jian)测(ce)完(wan)顶端毛(mao)刺(ci)后，将(jiang)工(gong)件超声清(qing)洗干(gan)净，用(yong)非接触式白光(guang)干涉(she)光学轮廓仪(yi)ZygoNV7300对(dui)表面粗糙度(du)进(jin)行测量(liang)。在(zai)每(mei)条(tiao)微铣削(xue)槽的(de)4个不同(tong)位(wei)置(zhi)，沿刀具(ju)进给(gei)方向进(jin)行表(biao)面(mian)粗(cu)糙度测量(liang)，测(ce)量(liang)时(shi)选取(qu)的(de)取(qu)样长度(du)为0.25mm，取平均(jun)值作为(wei)表面粗糙(cao)度(du)的最(zui)终检测结(jie)果(guo)。

2、试验结(jie)果与(yu)讨(tao)论(lun)

2.1　3种不同(tong)制造工艺的(de)钛(tai)合金(jin)材料(liao)的铣削力(li)分(fen)析

3种(zhong)钛(tai)合(he)金材料在(zai)不(bu)同(tong)每(mei)齿(chi)进(jin)给(gei)量条件下铣削(xue)力的变(bian)化(hua)情况如(ru)图(tu)4所示(shi)。通过图4（a）可以(yi)直观看(kan)出(chu)，随(sui)着每(mei)齿进给量(liang)的增加(jia)，3种(zhong)材(cai)料的(de)铣(xi)削力(li)均随(sui)之(zhi)增(zeng)大(da)，因(yin)为(wei)单(dan)位(wei)时间(jian)内微铣(xi)刀(dao)去(qu)除(chu)的(de)材(cai)料(liao)量(liang)增(zeng)加(jia)，铣削(xue)力(li)随(sui)之上涨。其中(zhong)锻造钛(tai)合金铣削合力(li)的(de)变化(hua)最大，随着每齿(chi)进给量从1μm/z增加到(dao)4μm/z，锻造钛(tai)合金的铣削合(he)力(li)从(cong)1.19N上涨(zhang)至(zhi)4.35N。而SLM钛(tai)合金、SLM热(re)处理(li)钛(tai)合金的(de)铣削(xue)合(he)力分(fen)别从(cong)1.18、1.74N上(shang)升至3.56、3.95N。从(cong)图(tu)4（b）可以看出，主(zhu)铣削力(li)Fy的(de)显著(zhu)增(zeng)大(da)是造(zao)成铣(xi)削(xue)合力快(kuai)速上涨的(de)主(zhu)要原因。不(bu)难(nan)发现，SLM热(re)处(chu)理钛(tai)合金(jin)在(zai)加工(gong)时(shi)的(de)铣(xi)削(xue)分力在大(da)多(duo)数(shu)情(qing)况下都要(yao)高于其余两(liang)种材(cai)料(liao)。图(tu)5展示了(le)3种(zhong)钛(tai)合(he)金(jin)材料在(zai)不同铣(xi)削深度下铣削(xue)力(li)的变(bian)化(hua)情(qing)况(kuang)。从图(tu)5（a）可(ke)以(yi)看(kan)出，轴(zhou)向力Fz最小，且Fz受到(dao)铣削(xue)深(shen)度的(de)影响(xiang)最小。随着(zhe)铣(xi)削(xue)深度(du)的加深(shen)，锻(duan)造钛(tai)合(he)金、SLM钛(tai)合金以(yi)及SLM热处(chu)理钛(tai)合金(jin)的(de)Fz分(fen)别(bie)从1.16、1.14、1.35N上涨至(zhi)1.51、1.51、1.75N。由(you)于PCD微立铣刀底(di)部(bu)存在底(di)刃(ren)倾(qing)角(jiao)（λ=3°），该(gai)角(jiao)度(du)是用于(yu)减小刀具与(yu)已加工表面(mian)上(shang)发生弹(dan)性(xing)回复(fu)的材(cai)料的接(jie)触(chu)，增(zeng)强铣削(xue)加(jia)工(gong)的稳(wen)定(ding)性，优化加工(gong)表(biao)面质量。当刀具(ju)磨损(sun)较(jiao)小(xiao)时(shi)，底(di)刃(ren)倾(qing)角(jiao)的变(bian)化较(jiao)小(xiao)，铣(xi)削深(shen)度(du)的(de)增大并不会(hui)显(xian)著(zhu)造成(cheng)与(yu)微(wei)铣刀底面(mian)接(jie)触的工件(jian)材料(liao)面积(ji)增大。因(yin)此(ci)，在(zai)主(zhu)轴(zhou)转速(su)和每(mei)齿进(jin)给(gei)量(liang)不变(bian)的(de)条件(jian)下(xia)，由于(yu)铣(xi)削深度(du)变(bian)化造成Fz的(de)变化(hua)幅(fu)度(du)较小。铣(xi)削合力的变化(hua)主要(yao)受到主(zhu)铣削(xue)力(li)Fy和(he)进给(gei)抗力(li)Fx的影响。这(zhe)是因(yin)为(wei)，微铣削(xue)加工(gong)主要(yao)是(shi)在(zai)XY平(ping)面上(shang)去(qu)除(chu)材(cai)料的(de)过程(cheng)，Fx、Fy是去除材料(liao)时主(zhu)要的力(li)。图5（b）能(neng)够直(zhi)观地看(kan)出(chu)，SLM热处(chu)理(li)钛(tai)合金(jin)在(zai)加(jia)工(gong)过(guo)程(cheng)中(zhong)产(chan)生的(de)铣削(xue)力(li)明(ming)显(xian)大(da)于(yu)其(qi)余两种材(cai)料(liao)。这(zhe)可(ke)能(neng)是(shi)由(you)于SLM热处(chu)理(li)钛合(he)金(jin)材料(liao)的(de)硬度(du)较高(gao)，去除材料(liao)时所(suo)需(xu)的(de)力(li)较大(da)。图(tu)6反(fan)映(ying)了在不同(tong)主轴(zhou)转速下3种不同(tong)制造工(gong)艺(yi)的(de)钛(tai)材(cai)料(liao)的铣(xi)削(xue)力变化情况(kuang)。通(tong)过图6（a）能够(gou)看出，随着主轴转(zhuan)速的加(jia)快(kuai)，不同(tong)钛(tai)合金(jin)材料(liao)的三向铣(xi)削力(li)均呈现减小(xiao)的趋势。随(sui)着(zhe)主轴转速的(de)增大(da)，单(dan)位(wei)时(shi)间(jian)内微(wei)铣(xi)刀去除材料的量(liang)减小(xiao)，进而使(shi)得(de)铣削(xue)力下(xia)降(jiang)。从(cong)图(tu)6（b）可(ke)以发现，SLM热(re)处(chu)理钛合(he)金对(dui)于主轴转速的(de)变化最(zui)为敏感，随着主轴(zhou)转速的(de)加快，铣(xi)削(xue)力下(xia)降(jiang)幅度最为(wei)明(ming)显。当(dang)主(zhu)轴转(zhuan)速(su)从(cong)12000r/min加速(su)至(zhi)21000r/min时，锻(duan)造(zao)钛(tai)合(he)金(jin)、SLM钛(tai)合金以及SLM热处(chu)理钛(tai)合(he)金(jin)的铣削(xue)合力(li)分别(bie)从(cong)2.18、2.38、3.09N下(xia)降至1.56、1.88、2.04N。此(ci)外(wai)，从图(tu)6中能够明(ming)显观(guan)察(cha)到，锻造钛合金(jin)的铣(xi)削(xue)力(li)要明显(xian)小(xiao)于另(ling)外(wai)两(liang)种(zhong)增材(cai)制(zhi)造(zao)钛合(he)金(jin)材料。通(tong)过分析(xi)不(bu)同(tong)铣削参数对(dui)3种钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料铣削(xue)力的影响(xiang)，能够(gou)发现(xian)：总体来看微(wei)铣削(xue)加工时(shi)SLM热(re)处(chu)理钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)的铣削(xue)力比(bi)锻造(zao)钛(tai)合金(jin)和(he)SLM钛(tai)合金的铣(xi)削(xue)力都要大，且锻造(zao)钛合金(jin)材料的铣(xi)削力(li)最小，材(cai)料硬度的差异是(shi)造(zao)成这种(zhong)情(qing)况的(de)重(zhong)要(yao)原因(yin)。此外(wai)，受(shou)到(dao)SLM工(gong)艺自(zi)身(shen)缺陷(xian)的影响，通(tong)过SLM工艺打(da)印(yin)的(de)钛合金(jin)材料未经(jing)过热(re)处理(li)时(shi)会(hui)存在较大的孔隙度，导(dao)致(zhi)材料(liao)性(xing)能较(jiao)差［27］，而这(zhe)种(zhong)情(qing)况(kuang)在材料(liao)经过热处理后会(hui)被(bei)改(gai)善(shan)。有(you)研(yan)究(jiu)表明较大的(de)孔(kong)隙(xi)度会(hui)引(yin)起铣(xi)削(xue)力的减(jian)小(xiao)［28］，SLM热(re)处(chu)理(li)钛(tai)合金(jin)要(yao)比(bi)SLM钛合(he)金(jin)更(geng)为(wei)致(zhi)密，材料(liao)孔隙(xi)度更(geng)小(xiao)，因(yin)此其铣(xi)削(xue)过(guo)程产生(sheng)的铣削力(li)更(geng)大(da)。

2.2　3种(zhong)不(bu)同制造工艺的钛(tai)合(he)金(jin)材料的顶端毛(mao)刺分析(xi)

毛(mao)刺(ci)的宽(kuan)度和(he)高度是评价(jia)毛刺(ci)的(de)参数，由(you)于(yu)微铣削毛(mao)刺较小，对(dui)测量(liang)工作(zuo)会造(zao)成一(yi)定(ding)的困(kun)难(nan)，为(wei)了(le)便(bian)于(yu)定量(liang)分(fen)析(xi)毛刺规(gui)律，本文(wen)选(xuan)用光(guang)学显微(wei)镜对顶(ding)端(duan)毛(mao)刺(ci)的宽(kuan)度进(jin)行检(jian)测(ce)。图7为3种(zhong)钛合金材料(liao)在(zai)不同铣削参数(shu)下(xia)的顶(ding)端(duan)毛(mao)刺(ci)宽度。对比顺铣侧和逆(ni)铣侧(ce)的(de)顶端毛刺宽度，能(neng)够发(fa)现(xian)，在不(bu)同铣削(xue)条件下3种(zhong)钛(tai)合金(jin)材料逆(ni)铣侧毛刺尺(chi)寸(cun)均大(da)于顺(shun)铣侧(ce)毛(mao)刺尺(chi)寸［10］。

图(tu)8所示(shi)为(wei)钛合金(jin)材料顺(shun)逆铣(xi)侧(ce)顶(ding)端(duan)毛(mao)刺(ci)形成(cheng)机理差异的(de)示(shi)意图(tu)。由于(yu)钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)的(de)塑(su)性较好(hao)，在(zai)去除材(cai)料过(guo)程(cheng)中(zhong)工(gong)件(jian)材(cai)料会(hui)发生较(jiao)大(da)的(de)塑(su)性(xing)变形，在逆(ni)铣(xi)侧(ce)，受(shou)到(dao)未加(jia)工表(biao)面的阻(zu)碍，这部(bu)分发生(sheng)塑(su)性(xing)变形(xing)的材料(liao)会产生较(jiao)大(da)的(de)塑(su)性侧(ce)流(liu)，本(ben)该形(xing)成(cheng)切(qie)屑脱落(luo)的变形材(cai)料(liao)演变成较(jiao)大的(de)毛(mao)刺留(liu)在了工件(jian)顶端。因此在逆(ni)铣侧(ce)，多(duo)会(hui)沿(yan)着(zhe)刀具(ju)切削刃的(de)旋转(zhuan)和进(jin)给(gei)方向形成(cheng)尺(chi)寸较大(da)的(de)顶端(duan)毛刺。而在顺(shun)铣侧，发(fa)生(sheng)塑性(xing)变形(xing)的(de)材(cai)料(liao)会形(xing)成(cheng)较大(da)的(de)材(cai)料堆积，这(zhe)部分堆(dui)积的材(cai)料会随着刀具(ju)切(qie)出(chu)工(gong)件表面(mian)时(shi)，借(jie)助(zhu)刀具(ju)的(de)推(tui)动作(zuo)用从工(gong)件(jian)表面(mian)脱(tuo)落，少数材料形成(cheng)尺寸较小的(de)顶端毛(mao)刺(ci)。观察图7（a，b）能够(gou)发现(xian)，当(dang)每齿进(jin)给量很(hen)小(xiao)时，加工(gong)过程(cheng)生成(cheng)的顶端毛(mao)刺(ci)尺寸较(jiao)大(da)，这(zhe)是由于此(ci)条件(jian)下刀具的瞬时切削(xue)厚度(du)小于材料(liao)的(de)最小(xiao)切(qie)削(xue)厚(hou)度，铣削(xue)加工(gong)处(chu)于(yu)负前(qian)角(jiao)切削(xue)状(zhuang)态(tai)，去(qu)除(chu)材料过程(cheng)刀具(ju)对(dui)材(cai)料(liao)的挤压(ya)、犁(li)耕(geng)作用严(yan)重(zhong)，增(zeng)加(jia)了(le)材(cai)料(liao)塑(su)性(xing)变形(xing)，进(jin)而(er)促(cu)进了毛刺(ci)的生长(zhang)。当(dang)每齿进(jin)给量增(zeng)大，刀具(ju)开始(shi)正(zheng)常(chang)进行切(qie)割(ge)作(zuo)用，毛(mao)刺尺(chi)寸先下降，在fz=2μm/z获得(de)最(zui)小(xiao)值。此处锻(duan)造钛合金、SLM钛(tai)合(he)金(jin)和(he)SLM热(re)处理(li)钛(tai)合金(jin)获(huo)得的(de)逆(ni)铣侧(ce)最(zui)小(xiao)毛刺宽(kuan)度分(fen)别(bie)为184.78、152.3、173.03μm，顺(shun)铣侧最小(xiao)毛刺宽度(du)分(fen)别为152.89、125.39、139.50μm。随着(zhe)进给速(su)度的(de)进一步(bu)加(jia)快(kuai)，刀具(ju)单(dan)次去除(chu)材料量(liang)增多(duo)，材(cai)料变(bian)形量(liang)增(zeng)大(da)，毛刺(ci)尺(chi)寸随之(zhi)增长(zhang)。图(tu)7（c，d）反(fan)映的是(shi)铣削深(shen)度(du)对(dui)顶(ding)端毛(mao)刺宽(kuan)度(du)的影(ying)响，随(sui)着铣削(xue)深度的增(zeng)大(da)，3种材料逆铣侧的毛(mao)刺(ci)宽(kuan)度也(ye)随之增大(da)，这(zhe)是(shi)由于(yu)铣(xi)削(xue)深(shen)度(du)加(jia)深，材料(liao)去除(chu)量增大，切(qie)屑的排出(chu)受到限(xian)制(zhi)，刀具与(yu)工件材(cai)料的(de)摩(mo)擦、挤压严重(zhong)，材料(liao)塑性(xing)侧(ce)流(liu)增加，形(xing)成(cheng)较(jiao)大毛刺。然而(er)，顺铣侧(ce)毛刺(ci)随着(zhe)铣(xi)削(xue)深(shen)度(du)的(de)增加(jia)先增大(da)，当(dang)铣削(xue)深度ap>10μm，毛(mao)刺(ci)宽度(du)又开(kai)始(shi)减(jian)小。这(zhe)一(yi)现(xian)象(xiang)可(ke)能是(shi)因为(wei)铣削(xue)深度(du)超过(guo)了(le)一定(ding)的界(jie)限切削(xue)深度(du)，顺(shun)铣(xi)侧(ce)的(de)顶端毛(mao)刺(ci)形(xing)成(cheng)了(le)尺(chi)寸(cun)较小的(de)二(er)次(ci)毛(mao)刺（Ⅱ型(xing)毛(mao)刺(ci)）［2930］。从(cong)图7（e，f）中(zhong)可以(yi)看出，顶(ding)端(duan)毛(mao)刺(ci)随(sui)着主轴(zhou)转(zhuan)速的(de)加(jia)快(kuai)呈(cheng)现下(xia)降的趋(qu)势(shi)，说(shuo)明(ming)转速(su)的提(ti)高(gao)有(you)利于(yu)减少刀(dao)具(ju)与材(cai)料间挤压(ya)的时(shi)间，有利(li)于减少(shao)材料(liao)的(de)变形和(he)塑性侧(ce)流，抑(yi)制(zhi)顶(ding)端毛(mao)刺(ci)的(de)增(zeng)长。观察(cha)图7可(ke)知(zhi)，在不(bu)同铣削条件(jian)下(xia)SLM钛(tai)合(he)金的(de)顶(ding)端毛(mao)刺尺寸(cun)不(bu)论是(shi)在顺铣(xi)侧(ce)还(hai)是逆铣(xi)侧(ce)都(dou)要(yao)小于SLM热(re)处理钛(tai)合(he)金以(yi)及锻(duan)造钛(tai)合金。这可能(neng)是(shi)因(yin)为SLM钛合(he)金的(de)塑(su)性(xing)较差，切削时(shi)材(cai)料发(fa)生(sheng)塑(su)性(xing)变(bian)形的程度(du)较(jiao)小(xiao)，且更(geng)容(rong)易从工件(jian)表(biao)面脱落(luo)，生成的(de)顶端(duan)毛刺(ci)较(jiao)小(xiao)。

2.3　3种不(bu)同(tong)制造(zao)工艺(yi)的钛(tai)合金(jin)材(cai)料的表面粗糙度(du)分(fen)析

不同(tong)铣(xi)削(xue)参(can)数对3种钛合(he)金材料(liao)表面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)的影(ying)响(xiang)如图9所示。如(ru)图9（a）所(suo)示(shi)，随着每(mei)齿进给(gei)量(liang)的增大，3种(zhong)钛(tai)合金材料(liao)的表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)均先下(xia)降后(hou)上(shang)升(sheng)，并在(zai)fz=2μm/z获(huo)得(de)最(zui)小的表面(mian)粗(cu)糙度。锻造(zao)钛合(he)金(jin)、SLM钛(tai)合(he)金以及SLM热(re)处(chu)理(li)钛(tai)合(he)金(jin)的最小(xiao)表面粗糙度(du)分(fen)别为(wei)47.84、65.33、45.69nm。这(zhe)是由于(yu)当每(mei)齿进给(gei)量很(hen)小时(shi)，刀(dao)具的瞬时切(qie)削厚度小(xiao)于(yu)最(zui)小切削(xue)厚(hou)度(du)，受(shou)到(dao)尺(chi)寸效应(ying)的影响(xiang)，加(jia)工过(guo)程(cheng)的(de)不稳(wen)定(ding)现象增(zeng)多，此(ci)时(shi)的(de)铣刀(dao)以(yi)滑(hua)擦(ca)、犁(li)耕(geng)去除材(cai)料(liao)为(wei)主(zhu)，并非正(zheng)常的切(qie)割作用(yong)，因此会导致(zhi)表面(mian)粗(cu)糙度(du)较(jiao)大(da)，获(huo)得的表面质量较(jiao)差。随(sui)着每(mei)齿进给(gei)量的(de)增加，去(qu)除(chu)材(cai)料(liao)的(de)作(zuo)用由最初的挤(ji)压、犁耕转(zhuan)向(xiang)正常的切割(ge)作用(yong)，表(biao)面(mian)粗(cu)糙度出(chu)现(xian)下(xia)降趋(qu)势(shi)。随(sui)着进给(gei)速度(du)的(de)进(jin)一步加快，瞬(shun)时切(qie)削(xue)厚度增大(da)，导致铣(xi)削(xue)力增大(da)，切削过程(cheng)不稳(wen)定(ding)现(xian)象(xiang)增加，刀具(ju)产(chan)生振(zhen)动(dong)，容(rong)易(yi)导致表(biao)面(mian)质量(liang)变(bian)差。

图(tu)9（b）是(shi)表面(mian)粗(cu)糙度受(shou)铣削深度(du)影响(xiang)的(de)变(bian)化曲(qu)线(xian)。可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，随着铣(xi)削(xue)深(shen)度(du)的逐渐增加，微铣(xi)槽的(de)表面粗(cu)糙度(du)呈上(shang)升趋势(shi)。铣削深度的增(zeng)加会导致(zhi)单(dan)位时(shi)间去(qu)除的(de)材料(liao)量(liang)增(zeng)多(duo)，容易导(dao)致(zhi)较大的(de)切(qie)削力。以较(jiao)大(da)铣(xi)削深度加工(gong)时刀具容(rong)易(yi)发生振(zhen)动，导致(zhi)加工过程不稳(wen)定，进(jin)而影响(xiang)表面质(zhi)量(liang)。图9（c）是主轴转(zhuan)速(su)对(dui)表面(mian)粗糙度的(de)影(ying)响(xiang)，能(neng)够发(fa)现主轴转速(su)加快(kuai)，表面粗糙度(du)略有(you)下(xia)降(jiang)，但是(shi)当(dang)主轴转(zhuan)速达(da)到18000r/min时，表面粗(cu)糙度(du)又(you)有(you)所上(shang)升，这可能是由于较快的转速(su)使(shi)得(de)刀(dao)具(ju)产生(sheng)振动(dong)，表(biao)面(mian)粗糙(cao)度出(chu)现波动(dong)。通过(guo)对3种钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)在不同(tong)铣削参数下(xia)表面粗糙度的定(ding)量(liang)分析，能够发(fa)现(xian)，SLM热处理(li)钛合金在(zai)微铣(xi)削(xue)加工时(shi)获(huo)得的表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度要(yao)小于锻(duan)造(zao)钛合(he)金和SLM钛(tai)合金。SLM钛合(he)金(jin)在(zai)变(bian)每齿进给量和变主轴转(zhuan)速条(tiao)件(jian)下获得的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度要(yao)明显(xian)大于(yu)其(qi)余(yu)两种材(cai)料。锻造(zao)钛合(he)金在不同铣(xi)削参数下(xia)获(huo)得(de)的表(biao)面(mian)质(zhi)量(liang)均处(chu)于(yu)中等(deng)的水(shui)平(ping)。较(jiao)高的材(cai)料硬(ying)度和较低(di)的(de)材(cai)料(liao)塑性(xing)能(neng)够降低加(jia)工时(shi)的(de)材(cai)料(liao)流动(dong)，进而(er)获得更好的(de)表面质量［31］，因此SLM热(re)处理钛(tai)合金的(de)表(biao)面粗糙度要(yao)低于(yu)锻(duan)造(zao)钛合金(jin)。虽(sui)然(ran)SLM钛(tai)合金的材(cai)料硬度高于(yu)锻造(zao)钛(tai)合(he)金，且材料塑性低(di)于锻造钛合(he)金，但是由于(yu)其孔隙度(du)较大(da)，容易(yi)恶化加工(gong)后的(de)表面(mian)质量(liang)［32］，导致(zhi)其加(jia)工后的(de)表面(mian)粗糙度(du)要(yao)高(gao)于(yu)其(qi)余两(liang)种(zhong)钛(tai)合金(jin)材料(liao)。图(tu)10是3种钛(tai)合金材料在(zai)不(bu)同每齿进(jin)给(gei)量(liang)条(tiao)件(jian)下的表(biao)面形(xing)貌。当fz=1μm/z时(shi)，由(you)于刀具(ju)对工(gong)件(jian)的(de)犁耕作(zuo)用严重(zhong)，3种(zhong)钛合金(jin)材料(liao)经过(guo)铣削(xue)后(hou)获得(de)的(de)表面(mian)形貌均(jun)较差，表(biao)面(mian)轮(lun)廓(kuo)曲(qu)线变化(hua)剧烈(lie)。随着每(mei)齿(chi)进(jin)给量(liang)增加(jia)，在fz=2μm/z时，3种(zhong)钛(tai)合金材料的表(biao)面质(zhi)量有(you)所改(gai)善(shan)，材料(liao)凸(tu)起(qi)高度(du)变(bian)小，表面(mian)轮廓(kuo)曲线变(bian)化较为均匀(yun)。随着(zhe)每齿进(jin)给量(liang)进(jin)一(yi)步增大(da)，3种钛合(he)金(jin)材料(liao)的表面(mian)形(xing)貌又(you)开(kai)始恶化(hua)。通过(guo)整(zheng)体(ti)分析(xi)能(neng)够得(de)到(dao)，SLM热处(chu)理钛(tai)合(he)金(jin)的(de)铣(xi)削(xue)表(biao)面在(zai)3种(zhong)钛合(he)金材料(liao)中最好。相较于(yu)锻(duan)造钛(tai)合金(jin)和(he)SLM热(re)处理(li)钛合金(jin)，加(jia)工(gong)后的SLM钛合金的表面(mian)轮廓曲线变化最为(wei)剧烈，获(huo)得(de)的表面质量最(zui)差(cha)。

3、结(jie)论

本(ben)文以(yi)PCD微(wei)铣刀(dao)作(zuo)为(wei)试验刀(dao)具(ju)，开(kai)展(zhan)了(le)微铣(xi)削试(shi)验。通(tong)过(guo)对(dui)铣(xi)削(xue)力、顶(ding)端(duan)毛(mao)刺(ci)宽(kuan)度以(yi)及表面粗糙度(du)进(jin)行分(fen)析，研(yan)究(jiu)了在不同铣削(xue)参数条件(jian)下锻造钛(tai)合金、SLM钛(tai)合金(jin)以(yi)及(ji)SLM热处(chu)理(li)钛合(he)金的微铣削(xue)加(jia)工性(xing)能。得(de)到(dao)的(de)相关结论(lun)如下(xia)：

（1）微铣削(xue)加(jia)工(gong)时3种不(bu)同制(zhi)造工艺的钛(tai)合(he)金材(cai)料的铣(xi)削(xue)力(li)变化趋(qu)势(shi)均符合(he)变化规(gui)律。

SLM热处理钛(tai)合金材(cai)料加工(gong)产生的(de)铣(xi)削力(li)比锻(duan)造钛(tai)合金(jin)和(he)SLM钛合金的铣(xi)削力都(dou)要(yao)大，且(qie)锻造(zao)钛合(he)金(jin)材料的(de)铣削力最小(xiao)。材料(liao)硬度(du)的差异(yi)是造(zao)成(cheng)这(zhe)种情况的重要(yao)原(yuan)因。除此之(zhi)外，SLM钛(tai)合(he)金(jin)较大的孔(kong)隙度(du)也(ye)导(dao)致(zhi)了其铣(xi)削力小(xiao)于SLM热处理钛(tai)合金(jin)。

（2）由(you)于钛合金(jin)材(cai)料顺(shun)逆铣(xi)侧(ce)顶端毛(mao)刺形成(cheng)机(ji)理(li)的(de)差异，微(wei)铣(xi)削加工(gong)产生的逆(ni)铣(xi)侧(ce)毛刺(ci)尺寸(cun)均(jun)要大于顺铣侧(ce)毛刺(ci)尺寸(cun)。在(zai)不同铣(xi)削(xue)条(tiao)件下(xia)SLM钛合金(jin)的(de)顶端毛(mao)刺(ci)尺(chi)寸不论是(shi)在(zai)顺铣侧还(hai)是(shi)逆铣(xi)侧都要(yao)小(xiao)于(yu)SLM热(re)处理钛合金以及锻造(zao)钛(tai)合(he)金(jin)。这是由(you)于(yu)SLM钛合金(jin)的塑(su)性较(jiao)差(cha)，切(qie)削时(shi)材料(liao)发(fa)生塑(su)性(xing)变形的程度较小(xiao)，生成的(de)顶(ding)端毛刺(ci)较小。

（3）3种不同制造工艺(yi)的(de)钛(tai)合(he)金材料的(de)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)随(sui)每(mei)齿进(jin)给(gei)量(liang)增(zeng)大，呈现先(xian)下降后(hou)上(shang)升(sheng)的变化(hua)规(gui)律(lv)，并(bing)在(zai)fz=2μm/z获(huo)得最小(xiao)的(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)。这种现(xian)象是受(shou)到(dao)尺寸(cun)效应(ying)影响的典(dian)型(xing)结果。较高的材(cai)料硬度和较低(di)的(de)材料(liao)塑性能(neng)够降(jiang)低加(jia)工时的(de)材(cai)料(liao)流(liu)动(dong)，进(jin)而获得(de)更好的表面质量，因此SLM热(re)处(chu)理(li)钛合(he)金(jin)的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)要(yao)低于锻造(zao)钛(tai)合(he)金。由于(yu)孔(kong)隙度较大(da)，容易恶化(hua)加(jia)工(gong)后的表面质(zhi)量，即使(shi)SLM钛合(he)金的(de)硬度(du)高于(yu)锻造(zao)钛(tai)合金，且(qie)塑性小(xiao)于锻(duan)造钛合金(jin)，但其加工(gong)后(hou)的(de)表面粗(cu)糙(cao)度仍(reng)旧较(jiao)高。

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