1、引言

鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐腐蝕及高溫力學性能優(yōu)異等特點，在航空、航天、船舶、汽車等行業(yè)的應(yīng)用越來越多，在關(guān)鍵零部件中的材料占比也越來越高［1 －4］。但由于鈦合金材料本身的性能特點，采用“鍛造、鑄造＋機械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造復雜鈦合金結(jié)構(gòu)件時，存在制造工藝復雜、加工工序多、生產(chǎn)周期長、材料去除率高和制造成本高等缺點，制約了鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進工業(yè)及國防裝備中的應(yīng)用。

3D 打印激光快速成形技術(shù)是以合金粉末為原料，通過激光熔化逐層堆積，由零件數(shù)模一步完成高性能大型復雜結(jié)構(gòu)件的成型。成型構(gòu)件形狀復雜，節(jié)省材料程度高，傳統(tǒng)鑄造和機械加工方法難以企及［5 －8］。但是，3D 打印激光快速成型技術(shù)制造的零件表面質(zhì)量差，與實際應(yīng)用要求有一定差距。

針對上述問題，本文基于某3D 打印激光成型技術(shù)生產(chǎn)的TA15鈦合金零件毛坯，開展增材制造鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削加工技術(shù)研究。分別從材料特性、加工刀具、切削參數(shù)及加工路徑等方面進行工藝探索，提出3D 打印鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削加工的工藝方案，可為后續(xù)3D 打印鈦合金零件的銑削加工提供一定的指導。

2、材料加工特性及3D打印零件特點

2.1　材料加工特性

TA15 鈦合金具有良好的組織穩(wěn)定性、韌性、塑性、抗腐蝕性、高比強度等優(yōu)勢，是綜合性能優(yōu)良的航天用材料，但同時也給機械加工帶來困難。該材料的機械加工具有以下特點：

（1）化學活性高，親和作用大。鈦合金在高溫下與大氣層中的O、N、H 等發(fā)生化學反應(yīng)而生成TiO2、TiN、TiH 等硬脆層，切削過程中因塑性變形而產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，使刀具極易磨損。而且切屑及被切削表層與刀具材料咬合而產(chǎn)生嚴重的粘刀現(xiàn)象，使刀具產(chǎn)生劇烈的粘結(jié)磨損；

（2）刀－屑接觸長度短。鈦合金切屑在空氣中氧和氮的作用下形成硬脆化合物，使切屑成短碎片狀，導致刀－屑接觸長度變短，切削力和切削熱集中在切削刃附近，易造成刀具崩刃現(xiàn)象；

（3）熱傳導率低。鈦合金熱傳導率僅15.24W/（m·K），機加工過程中產(chǎn)生的熱量不易散失，切削過程中切削溫度高，刀具磨損嚴重；

（4）彈性模量低。鈦合金的彈性模量僅為45鋼的1 /2，在載荷作用下發(fā)生變形后產(chǎn)生較大的回彈，與刀具后刀面摩擦嚴重，刀具磨損嚴重。

2.2　激光快速成形結(jié)構(gòu)特點

3D 打印成形過程所用鈦合金粉末見圖1，其粒徑為45 ～96μm。試驗前，鈦合金粉末置于120℃環(huán)境下烘干處理5h，以抑制粉末堵塞激光噴嘴，提高粉末流動性，保證送粉量均勻、穩(wěn)定，避免對成形質(zhì)量與精度造成不良影響。最終3D 打印的零件表面見圖2。打印后的零件表面質(zhì)量較差，無法滿足使用要求。

3、加工工藝

3.1　加工方案

TA15 鈦合金在加工過程中會產(chǎn)生因塑性變形導致的殘余應(yīng)力。針對該問題，采取多次裝夾、逐層加工的方法，將零件加工過程分為粗、半精、精加工，逐步消除材料內(nèi)應(yīng)力和機械加工產(chǎn)生的切削殘余應(yīng)力。根據(jù)零件變形情況，工序間按需進行去應(yīng)力退火處理，以滿足最終的尺寸精度和形位公差要求。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點及機床性能，采用DMU 數(shù)控五軸加工中心，其控制系統(tǒng)為海德漢530。機床主要參數(shù)見表1。

3.2　加工參數(shù)

（1）刀具選擇

由于鈦合金與空氣中氧和氮的親和性強，并且鈦合金加工過程中的銑削溫度較高，因此鈦合金的切屑迅速地從周圍空氣中吸收這些氣體，生成硬脆層，同時，加工過程中也存在加工硬化現(xiàn)象。此外，3D 打印激光快速成型毛坯表面形成硬而脆的不均勻外皮，在粗加工時極易造成崩刃現(xiàn)象。因此，鈦合金粗加工需選用強度高的刀具材料。同時，由于鈦合金材料對刀具材料的化學親和力強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下刀具易產(chǎn)生粘結(jié)磨損，因此需選用紅硬性好、強度高、與鈦合金材料親和力差的刀具材料。由于鈦合金的切屑為碎片狀，因此，刀具需具有良好刀刃和較大的容屑槽，以避免因排屑而造成刀具劇烈磨損。綜合考慮以上因素，選用YG 類硬質(zhì)合金刀具，其參數(shù)見表2。

（2）切削刀具路徑規(guī)劃

根據(jù)鈦合金材料彈性模量小和加工易變形的特點，在刀具路徑規(guī)劃中需充分考慮切削過程的穩(wěn)定性，避免切削力突然增大。同時，為保證切出的切屑最薄，應(yīng)盡量保持刀具在加工過程中為不對稱順銑。

具體刀具路徑規(guī)劃原則如下：

①刀具路徑全部采用不對稱順銑；

②避免切削圓角處刀具與材料大面積接觸而產(chǎn)生加工振動。加工拐角位置時，增加拐角圓弧過渡，以避免大面積接觸，減小加工振動；

③加工深槽和外形時，采用螺旋銑削方式，保證切削過程中的載荷穩(wěn)定；

④面銑削時，采用漸開線式刀具路徑，保證切削過程中的載荷穩(wěn)定；

⑤遵循切出最薄切屑原則，開放區(qū)域采用圓弧進刀方式。

（3）切削參數(shù)選擇

根據(jù)主運動與進給運動方向的相對關(guān)系，銑削分為順銑和逆銑。順銑時切屑由厚到薄，逆銑時切屑由薄到厚（見圖3）。銑削鈦合金時，宜采用順銑法，因為刀齒切離時的切屑薄，切屑不易粘結(jié)在切削刃上，且產(chǎn)生的應(yīng)力為壓應(yīng)力，加工硬化小。逆銑時正好相反，切屑容易粘結(jié)，當?shù)洱X再次切入時切屑被碰斷，容易造成刀具材料出現(xiàn)剝落崩刃現(xiàn)象。

切削鈦合金時，切削溫度高、刀具耐用度低，而切削用量中切削速度對切削溫度的影響最大，因此應(yīng)盡量使切削速度產(chǎn)生的切削溫度接近最優(yōu)范圍。

硬質(zhì)合金刀具的最優(yōu)切削溫度約為650℃ ～750℃。切削鈦合金時一般采用較低的切削速度、較大的切削深度和進給量。

鈦合金在切削過程中有加工硬化現(xiàn)象，如果切削深度太小，刀尖會在硬化層中切削，加重刀具磨損，因此采用大切深低轉(zhuǎn)速的加工方式。一般要求切削深度不小于1mm，線速度在20 ～40m/min 之間。精銑切削試驗參數(shù)見表3。

3.3　銑削試驗

根據(jù)上述工藝方案，對該3D 打印零件進行銑削試驗。加工后的尺寸滿足圖紙要求。不同切削參數(shù)下所得表面粗糙度結(jié)果見表4。由表可知，其中當切削速度為30m/min、進給量為0.06mm/r、切削深度為1.5mm 時，銑削表面質(zhì)量最好。

4、結(jié)語

以某3D 打印激光成形鈦合金結(jié)構(gòu)件為研究對象，對加工設(shè)備、加工刀具、加工路徑規(guī)劃、切削參數(shù)等進行工藝探索，找出合適的加工方案，通過分析確定合理的加工刀具和切削工藝參數(shù)。由銑削試驗結(jié)果可知，當切削速度為30m/min、進給量為0.06mm/r，切削深度為1.5mm 時，3D 打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削效果最好。

參考文獻

［1］郭建軍.鈦的新應(yīng)用及展望［C］.中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會2009 年年會論文集，2009.

［2］梁書錦，侯峰起，李英浩，等.航空緊固件用Ti-45Nb 合金絲材的組織和性能［J］.稀有金屬材料與工程，2015，44：2203.

［3］范世平，譚智.TA15 鈦合金銑削力及薄壁結(jié)構(gòu)銑削工藝的試驗研究［J］.工具技術(shù)，2014，48（8）：69 －72.

［4］周培培，李金泉，許立福，等.TA15 鈦合金切削振動與表面質(zhì)量關(guān)系研究［J］.工具技術(shù)，2016，50（5）：21 －24.

［5］Gremaud M，Wagnière I D，Zryd A，et al.Laser metal forming：processing fundamentals ［J ］.Surface Engineering，2013，12（3）：251 －259.

［6］Arcella F，Abbott D，House M.Titanium alloy structures for airframe application by the laser forming process［C］.Boston，American：Structures，Structural Dynamics，and Materials Conference and Exhibit，2013：71 －73.

［7］李懷學，孫帆，黃柏穎.金屬零件激光增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2012，55（20）：26 －31.

［8］鞏水利，鎖紅波，李懷學.金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2013，56（13）：66 －71.

第一作者：戰(zhàn)祥鑫，碩士，工程師，首都航天機械有限公司，100076 北京市

First Author：Zhan Xiangxin，Master，Engineer，Capital AerospaceMachinery Co.，Ltd.，Beijing 100076，China

相關(guān)鏈接