3D打印TA15鈦合金零件的銑削加工技術(shù)

1、引言

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐腐蝕及高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空、航天、船舶、汽車等行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多，在關(guān)鍵零部件中的材料占比也越來(lái)越高［1 － 4］。但由于鈦合金材料本身的性能特點(diǎn)，采用“鍛造、鑄造+ 機(jī)械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件時(shí)，存在制造工藝復(fù)雜、加工工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、材料去除率高和制造成本高等缺點(diǎn)，制約了鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進(jìn)工業(yè)及國(guó)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(guò)激光熔化逐層堆積，由零件數(shù)模一步完成高性能大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成型。成型構(gòu)件形狀復(fù)雜，節(jié)省材料程度高，傳統(tǒng)鑄造和機(jī)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(shí)際應(yīng)用要求有一定差距。

針對(duì)上述問(wèn)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(kāi)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(jìn)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(dǎo)。

2、材料加工特性及3D 打印零件特點(diǎn)

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(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，是綜合性能優(yōu)良的航天用材料，但同時(shí)也給機(jī)械加工帶來(lái)困難。該材料的機(jī)械加工具有以下特點(diǎn):

( 1) 化學(xué)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(xué)反應(yīng)而生成TiO2、TiN、TiH 等硬脆層，切削過(guò)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(yán)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(zhǎng)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(dǎo)致刀－ 屑接觸長(zhǎng)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(dǎo)率低。鈦合金熱傳導(dǎo)率僅15. 24W/( m·K) ，機(jī)加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不易散失，切削過(guò)程中切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重;

( 4) 彈性模量低。鈦合金的彈性模量?jī)H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(yán)重，刀具磨損嚴(yán)重。

2. 2 激光快速成形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3D 打印成形過(guò)程所用鈦合金粉末見(jiàn)圖1，其粒徑為45 ～ 96μm。試驗(yàn)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(dòng)性，保證送粉量均勻、穩(wěn)定，避免對(duì)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(jiàn)圖2。打印后的零件表面質(zhì)量較差，無(wú)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生因塑性變形導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。針對(duì)該問(wèn)題，采取多次裝夾、逐層加工的方法，將零件加工過(guò)程分為粗、半精、精加工，逐步消除材料內(nèi)應(yīng)力和機(jī)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(jìn)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(diǎn)及機(jī)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(jī)床主要參數(shù)見(jiàn)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(qiáng)，并且鈦合金加工過(guò)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(shí)，加工過(guò)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(shí)極易造成崩刃現(xiàn)象。因此，鈦合金粗加工需選用強(qiáng)度高的刀具材料。同時(shí)，由于鈦合金材料對(duì)刀具材料的化學(xué)親和力強(qiáng)，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(qiáng)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(jiàn)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(diǎn)，在刀具路徑規(guī)劃中需充分考慮切削過(guò)程的穩(wěn)定性，避免切削力突然增大。同時(shí)，為保證切出的切屑最薄，應(yīng)盡量保持刀具在加工過(guò)程中為不對(duì)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(duì)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(dòng)。加工拐角位置時(shí)，增加拐角圓弧過(guò)渡，以避免大面積接觸，減小加工振動(dòng);

③加工深槽和外形時(shí)，采用螺旋銑削方式，保證切削過(guò)程中的載荷穩(wěn)定;

④面銑削時(shí)，采用漸開(kāi)線式刀具路徑，保證切削過(guò)程中的載荷穩(wěn)定;

⑤遵循切出最薄切屑原則，開(kāi)放區(qū)域采用圓弧進(jìn)刀方式。

( 3) 切削參數(shù)選擇

根據(jù)主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)關(guān)系，銑削分為順銑和逆銑。順銑時(shí)切屑由厚到薄，逆銑時(shí)切屑由薄到厚( 見(jiàn)圖3) 。銑削鈦合金時(shí)，宜采用順銑法，因?yàn)榈洱X切離時(shí)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(shí)正好相反，切屑容易粘結(jié)，當(dāng)?shù)洱X再次切入時(shí)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(shí)，切削溫度高、刀具耐用度低，而切削用量中切削速度對(duì)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(shí)一般采用較低的切削速度、較大的切削深度和進(jìn)給量。鈦合金在切削過(guò)程中有加工硬化現(xiàn)象，如果切削深度太小，刀尖會(huì)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(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

3. 3 銑削試驗(yàn)

根據(jù)上述工藝方案，對(duì)該3D打印零件進(jìn)行銑削試驗(yàn)。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(jiàn)表4。由表可知，其中當(dāng)切削速度為30m/min、進(jìn)給量為0． 06mm/r、切削深度為1． 5mm 時(shí)，銑削表面質(zhì)量最好。

4、結(jié)語(yǔ)

以某3D打印激光成形鈦合金結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，對(duì)加工設(shè)備、加工刀具、加工路徑規(guī)劃、切削參數(shù)等進(jìn)行工藝探索，找出合適的加工方案，通過(guò)分析確定合理的加工刀具和切削工藝參數(shù)。由銑削試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)切削速度為30m/min、進(jìn)給量為0. 06mm/r，切削深度為1． 5mm 時(shí)，3D 打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削效果最好。

參考文獻(xiàn)

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

［2］梁書(shū)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(yàn)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(dòng)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 forairframe application by the laser forming process［C］． Boston，American: Structures，Structural Dynamics，and MaterialsConference and Exhibit， 2013: 71 － 73．

［7］李懷學(xué)，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(xué)． 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(jī)械有限公司，100076 北京市

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