3D打印TA15鈦合金結構件銑削加工技術

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異等特點，在航空、航天、船舶、汽車等行業的應用越來越多，在關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，采用 “鍛造、鑄造 + 機械加工” 等傳統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，節省材料程度高，傳統鑄造和機械加工方法難以企及。但是，3D打印激光快速成型技術制造的零件表面質量差，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 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定性、韌性、塑性、抗腐蝕性、高比強度等優勢，是綜合性能優良的航天用材料，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生硬化現象，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生嚴重的粘刀現象，使刀具產生劇烈的粘結磨損 ;

(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，在載荷作用下發生變形后產生較大的回彈，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、穩定，避免對成形質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，逐步消除材料內應力和機械加工產生的切削殘余應力。根據零件變形情況，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。

根據零件結構特點及機床性能，采用 DMU數控五軸加工中心，其控制系統為海德漢 530。

機床主要參數見表 1。

表 1 數控加工中心主要參數

3.2?加工參數

(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 類硬質合金刀具，其參數見表 2。

表 2 加工刀具參數

(2) 切削刀具路徑規劃

根據鈦合金材料彈性模量小和加工易變形的特點，在刀具路徑規劃中需充分考慮切削過程的穩定性，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定 ;

⑤遵循切出最薄切屑原則，開放區域采用圓弧進刀方式。

(3) 切削參數選擇

根據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，切屑容易粘結當刀齒再次切入時切屑被碰斷，容易造成刀具材料出現落崩刃現象。

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生的切削溫度接近最優范圍硬質合金刀具的最優切削溫度約為 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，因比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。精銑切削試驗參數見表3。

表3 精銑切削試驗參數

3.3銑削試驗根據上述工藝方案，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，銑削表面質量最好。

表4 銑削試驗結果

4、結語

以某3D打印激光成影鈦合金結構件為研究對象，對加工設備、加工刀具、加工路徑規劃、切削參數等進行工藝探索，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。