3D 打印鈦合金結構件銑削（xuē）加工技術-特種加工機床網-數控機床市場網

您現在的（de）位（wèi）置：特種加工機床網> 企業（yè）動態>3D 打印鈦合金結構件銑（xǐ）削加工技（jì）術

3D 打印鈦合金結構件銑削加工技術

2023-5-23 來源：首都航天機械有限公（gōng）司作者：戰（zhàn）祥鑫

摘（zhāi）要 : 針對 3D 打印鈦合金零件（jiàn）表麵粗糙度差和銑削加工難度大的問題，對 3D 打印 TA15結構件的銑削加工技術進行了研究，分（fèn）別從材料性能、加工流程、加工設備、加工刀具、加工路徑規（guī）劃、切削參數等方（fāng）麵進行了工藝探索，較好地實現（xiàn）了 3D 打印鈦合金零件的銑削加工，獲得了較好的產品表麵質量和較優的切削參（cān）數。

關鍵（jiàn）詞 : 3D 打印 ; 鈦合金 ; 銑削加工 ;工藝參數 ; 粗糙度

1.引言

鈦合金具有密度低（dī）、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（cái）料占比也（yě）越來越高。但由於鈦合金（jīn）材料本身的性能特（tè）點，采用 “鍛造、鑄造 + 機械加工” 等傳（chuán）統技術製造（zào）複雜鈦合金結構件時，存在製造（zào）工藝複雜、加工工（gōng）序多、生產周期長、材料去除率高和製造成本高等缺（quē）點，製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（hé）金粉末為原料，通過激光熔化逐層堆積，由零件數（shù）模一步（bù）完成高性能（néng）大型複雜（zá）結（jié）構件的成型。成型構件形狀複雜，節省材料程度高，傳統鑄造和機械加工方法難以企（qǐ）及。但是，3D 打印激光快速成型技術製造的零件表麵質量差，與實際應用要求有一定差（chà）距。

針對上述問題，本文基於某 3D 打印激光成型技術生產的 TA15 鈦合金零件毛坯，開展增材製造鈦合金（jīn）結構件（jiàn）銑削加工技術研究。分別從材料特性、加工刀具（jù）、切削參數及加工路徑等方麵進行（háng）工藝探索，提出（chū） 3D 打印鈦合金結構件（jiàn）銑削加工的工藝方案，可為後續 3D 打印鈦合金零件的銑削加工提供一定的指導。

2. 材（cái）料（liào）加工特性及 3D 打印零件特點

2.1 材（cái）料加工（gōng）特性（xìng）

TA15 鈦合（hé）金具（jù）有良好的組織穩定性（xìng）、韌性、塑性、抗（kàng）腐蝕性、高比強度等優勢，是綜合（hé）性能優良的（de）航天用（yòng）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（yòng）大（dà）。鈦合（hé）金在高（gāo）溫下與大（dà）氣層中的 O、N、H 等發生化學反應而生成 TiO2、TiN、TiH 等硬脆（cuì）層，切削過程中因（yīn）塑性變形而（ér）產生硬化（huà）現象，使刀具極易磨損。而且切屑（xiè）及（jí）被切削表層與刀具材料咬（yǎo）合（hé）而產（chǎn）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（zhǎng）度短。鈦合金切屑在空氣中氧（yǎng）和氮（dàn）的作用下形成硬脆化合物，使切（qiē）屑成短碎片狀，導致刀－屑接觸長度變短，切削力和（hé）切（qiē）削熱集中在切削刃附近，易造成刀具崩（bēng）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（sàn）失，切削過程中切削溫度高，刀具（jù）磨損嚴重 ;

(4) 彈（dàn）性模量低。鈦合金的彈性模量僅為 45鋼（gāng）的 1/2，在載荷作用下（xià）發生變形後產生較大的回彈，與刀具後刀麵摩擦嚴重（chóng），刀具磨損嚴（yán）重。

2.2 激光快速成形結構特點（diǎn）

3D 打印成形過（guò）程所用鈦合金粉末見圖 1，其粒（lì）徑為 45~96μm。試驗前，鈦合金粉末（mò）置（zhì）於120℃環境下烘幹處理 5h，以（yǐ）抑製粉末堵塞激光（guāng）噴（pēn）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（yǔ）精度造成不良影響。最終 3D打印（yìn）的（de）零件表麵見圖 2。打印後的零件表麵質量（liàng）較差，無法（fǎ）滿足使用要求。

圖 1：TA15 鈦合金（jīn）粉末形貌

圖 2 ：3D 打印 TA15 鈦合金零件表麵

3. 加工工藝

3.1 加工方案

TA15 鈦合金在加工過程中會產生（shēng）因塑性（xìng）變形導致的殘餘應力。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，逐步消除材料內應力和機械加工產生的切削殘餘應力。根據零件變形情況，工序間按需進行去（qù）應力退火處理，以滿足最終的尺寸精度和形（xíng）位公差要求。

根（gēn）據零件結構特點及機床性能，采用 DMU數控五軸加（jiā）工中心，其（qí）控（kòng）製（zhì）係統為海德漢 530。機床主要參數見表 1。

表 1 數（shù）控加工中心主要參數

3.2 加工參數

(1) 刀（dāo）具選（xuǎn）擇

由於鈦（tài）合（hé）金（jīn）與空氣中氧和氮的親（qīn）和性強，並且鈦（tài）合金加工過程中的銑削溫度較高，因此（cǐ）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（jiā）工硬化現象。此外，3D 打印激光快速成型（xíng）毛坯表麵形成硬而脆的不均勻外皮，在粗加工時極（jí）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（jù）材料。同時，由（yóu）於鈦合（hé）金材料對刀具材（cái）料的化學親和力強，在（zài）切削溫度高（gāo）和單（dān）位麵積上（shàng）切削力大的條件下刀具易（yì）產生粘結磨損，因此需選用紅硬性好、強度高、與（yǔ）鈦合金（jīn）材料親和力差的刀（dāo）具材（cái）料（liào）。由於鈦（tài）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（cáo），以避免因排屑而造成（chéng）刀具劇烈磨損。綜（zōng）合（hé）考慮以（yǐ）上因（yīn）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（shù）

(2) 切削刀具路徑（jìng）規劃

根（gēn）據鈦合金材料彈性模量小和加（jiā）工易變形的特點，在刀具（jù）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（jù）路徑全部采（cǎi）用不對稱順銑 ;

②避免切削圓角處刀具與（yǔ）材（cái）料（liào）大麵積接（jiē）觸而產生加工振動。加工拐角位置時，增加拐角（jiǎo）圓弧過渡，以避（bì）免大麵積接觸，減小加工振動 ;

③加（jiā）工（gōng）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麵銑削時，采用漸開線（xiàn）式刀具路徑，保證切削過程中的載荷穩定 ;

⑤遵循切出最（zuì）薄切屑原（yuán）則，開放區域采用圓弧進刀方式。

(3) 切削參數選擇

根據（jù）主運動與進給運動方向的相（xiàng）對關係，銑削分為順銑和逆銑。順銑時切屑（xiè）由厚到薄，逆銑時切屑由薄到厚 ( 見圖 3) 。銑削（xuē）鈦合金時，宜采用順銑法，因為刀齒（chǐ）切離時的切屑薄，切屑（xiè）不易粘結在切削刃上，且（qiě）產（chǎn）生的應力為壓應力（lì），加工（gōng）硬化小。逆（nì）銑時正好相反，切（qiē）屑（xiè）容易粘結，當刀齒再次切入時切屑被碰斷，容易（yì）造成刀具材料出現剝落崩刃現象。

圖 3 銑削方向

切削鈦合金時，切削溫度（dù）高、刀具耐用度低（dī），而切削（xuē）用量（liàng）中切削速度對切削溫（wēn）度的影響（xiǎng）最大，因此應盡量使切削速度產生（shēng）的切削溫度接近最優範圍。硬質合（hé）金（jīn）刀（dāo）具（jù）的最優切削溫度約為（wéi） 650℃~750℃。切削鈦合金時一般采用較低的切（qiē）削速度、較大的切削深（shēn）度和進給量。

鈦合金在切（qiē）削過程中有加工（gōng）硬化現象，如果切削深度太小，刀尖會在（zài）硬化層中切（qiē）削，加重刀具磨（mó）損，因此采用大切深低（dī）轉（zhuǎn）速的加工方式。一般要求切削（xuē）深度不小於 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（xuē）試驗參（cān）數

3.3 銑削（xuē）試驗

根據上述工藝（yì）方案，對該 3D 打印零件進行銑削（xuē）試驗。加工後的（de）尺寸滿足圖紙要求。不同切削參數下所得表麵粗糙度結果見表 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（shēn）度為 1.5mm 時，銑削表麵質量最（zuì）好。

表 4 銑削試驗結果

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、加工路徑規劃、切削參數等進行工藝探索，找出合適的（de）加工方案，通過分析確定合理的加工（gōng）刀具和切削工藝參數。由銑（xǐ）削試（shì）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（gòu）件（jiàn）的銑削效果最（zuì）好。

投稿（gǎo）箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞（wén）稿件發（fā）表，或進行資訊合（hé）作，歡迎聯係本網編輯（jí）部（bù），郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行（háng）業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多