3D 打印鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削加工技術(shù)
2023-5-23 來源：首都航天機(jī)械有限公司 作者：戰(zhàn)祥鑫
摘要 : 針對(duì) 3D 打印鈦合金零件表面粗糙度差和銑削加工難度大的問題，對(duì) 3D 打印 TA15結(jié)構(gòu)件的銑削加工技術(shù)進(jìn)行了研究，分別從材料性能、加工流程、加工設(shè)備、加工刀具、加工路徑規(guī)劃、切削參數(shù)等方面進(jìn)行了工藝探索，較好地實(shí)現(xiàn)了 3D 打印鈦合金零件的銑削加工，獲得了較好的產(chǎn)品表面質(zhì)量和較優(yōu)的切削參數(shù)。
關(guān)鍵詞 : 3D 打印 ; 鈦合金 ; 銑削加工 ;工藝參數(shù) ; 粗糙度
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)用越來越多，在關(guān)鍵零部件中的材料占比也越來越高。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、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(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。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(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(yán)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(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 打印成形過程所用鈦合金粉末見圖 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打印的零件表面見圖 2。打印后的零件表面質(zhì)量較差，無法滿足使用要求。
圖 1：TA15 鈦合金粉末形貌
圖 2 ：3D 打印 TA15 鈦合金零件表面
3. 加工工藝
3.1 加工方案
TA15 鈦合金在加工過程中會(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(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)見表 1。
表 1 數(shù)控加工中心主要參數(shù)
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)見表 2。
表 2 加工刀具參數(shù)
(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，保證切削過程中的載荷穩(wěn)定 ;
④面銑削時(shí)，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(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。
圖 3 銑削方向
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)見表 3。
表 3 精銑切削試驗(yàn)參數(shù)
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。
表 4 銑削試驗(yàn)結(jié)果
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(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。
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