3D打印TA15鈦合金零件的銑削加工技術

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)的應用越來越多，在關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)技術制造復雜鈦合金結構件時，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，制約了鈦合金結構件在先進工業(yè)及國防裝備中的應用。

3D 打印激光快速成形技術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構件的成型。成型構件形狀復雜，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制造的零件表面質(zhì)量差，與實際應用要求有一定差距。

針對上述問題，本文基于某3D 打印激光成型技術生產(chǎn)的TA15 鈦合金零件毛坯，開展增材制造鈦合金結構件銑削加工技術研究。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 打印鈦合金結構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 激光快速成形結構特點

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)應力和機械加工產(chǎn)生的切削殘余應力。根據(jù)零件變形情況，工序間按需進行去應力退火處理，以滿足最終的尺寸精度和形位公差要求。

根據(jù)零件結構特點及機床性能，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，切屑不易粘結在切削刃上，且產(chǎn)生的應力為壓應力，加工硬化小。逆銑時正好相反，切屑容易粘結，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、結語

以某3D打印激光成形鈦合金結構件為研究對象，對加工設備、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 打印鈦合金結構件的銑削效果最好。

參考文獻

［1］郭建軍． 鈦的新應用及展望［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構銑削工藝的試驗研究［J］． 工具技術， 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)量關系研究［J］． 工具技術， 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 forairframe application by the laser forming process［C］． Boston，American: Structures，Structural Dynamics，and MaterialsConference 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的發(fā)展及應用［J］． 航空制造技術， 2012， 55( 20) : 26 － 31．

［8］鞏水利，鎖紅波，李懷學． 金屬增材制造技術在航空領域的發(fā)展與應用［J］． 航空制造技術， 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