3D打印钛合金构件和钛合金锻件铣削加工性能对比研究

作者：王磊

3D打印是一种快速成型技术，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。由于3D 打印具有快速、成本低、制作原型所用的材料没有限制、可加工各种形状的零件、柔性和集成化程度高等工艺特点，近几年来钛合金3D 打印技术在航空航天领域得到了快速发展。

由于3D打印钛合金具有各向异性的特点，本文分析了3D打印钛合金在不同方向的铣削加工性能，同时在试验过程中分别测量了切削力、刀具磨损等数据，并根据测量值优化加工参数，对比了两种钛合金材料的切削加工性能的差异，为以后的加工生产提供指导。

1  试验条件与方案
(1)试验材料
如图1所示，试验试件选用3D打印钛合金块料和锻造TC4钛合金块料，尺寸均为40mm×30mm×20mm。表1是TC4钛合金材料的化学成分。

(a)3D打印钛合金        (b)锻造TC4钛合金

图1  试件

表1  TC4钛合金材料化学成分（wt.%）

(2)试验设备
①加工机床：沈阳机床厂生产的VMC850E加工中心；
②加工刀具：PVD金刚石涂层硬质合金端铣刀，刀具参数为D8*25*70*4T，圆周刃前角12°，后角10°，螺旋角40°；
③测力系统：KISTLER9272四向压电式测力仪、KISTLER5017B电荷放大器及相应的数据采集与处理系统；
④其他：日本三丰的SJ201表面粗糙度仪、A615红外热成像仪。

(3)正交试验方案
分别进行3D打印钛合金材料和TC4钛合金材料的基础铣削加工试验，加工参数见表2，共18组。试验过程中无冷却液，便于加工过程中测量温度；采用逆铣加工方式。

表2  铣削加工参数

2  试验结果与分析
(1)铣削力结果分析
对两种材料的铣削力Fx进行折线图分析，如图2所示。

图2  铣削力折线

图3  5000/s下的流动应力—应变曲线

在同样铣削加工参数下，锻造TC4钛合金的铣削力Fx均大于3D打印钛合金的铣削力Fx，且高速铣削时前者的铣削力下降没有后者明显。这是因为锻造TC4钛合金虽然强度（硬度）稍差，但其塑性非常好，因而在加工过程中会出现塑性变形大、易粘刀等现象，加剧刀具磨损和增大铣削抗力，导致铣削力较大。3D打印钛合金虽然强度高，但塑性低，在较大应变速率下会产生绝热温升（见图3），导致材料温升软化现象明显，铣削力大幅下降。

对比分析两种材料的切屑（见图4）发现，3D打印钛合金切屑卷曲幅度较小，呈C形片状，易于断屑，不容易缠刀，且断屑时塑性变形较小，产生热量较少；TC4钛合金切屑卷曲幅度较大，呈圆柱状，容易缠屑粘刀，断屑时塑性变形大，产生热量较多，变形抗力也大。综上所述，锻造TC4钛合金塑性较好，加工过程中铣削力较大。

(a)3D钛合金        (b)TC4钛合金

图4  相同加工参数下两种钛合金的切屑形貌

(a)3D打印钛合金铣削力极差分析

(b)锻造TC4钛合金铣削力极差分析

图5  加工参数对两种材料铣削力的影响

对铣削力Fx进行极差分析见图5。可以发现，线速度对3D打印钛合金铣削力的影响最大，其次是轴向切深，最后是每齿进给量。线速度依次由40m/min提高到80m/min时，铣削力Fx先增大后减小。每齿进给量和轴向切深的增大均会导致铣削力Fx的增大，其中轴向切深增量所导致的铣削力增量明显大于每齿进给增量所导致的铣削力增量；对锻造TC4钛合金而言，线速度对其铣削力Fx的影响最大，其次是每齿进给量，最后是轴向切深。

(2)铣削温度分析
由图6可以看出，对3D打印钛合金而言，由于塑性不及锻造TC4钛合金，故在同等加工参数下，前者铣削温度均比后者低。在较小的线速度下，铣削温度随着轴向切深的增大会呈现一定幅度的下降，这种变化趋势与锻造TC4钛合金一致。随着线速度逐渐增大，特别是当线速度提高到60m/min后，温度突然从470℃升高到580℃是因为线速度大且轴向切深小，刀具与工件表面的挤压效果比较明显，且切屑较小，故而会导致一定的温升。随着线速度进一步增大至80m/min，铣削温度变化不再明显，而是呈现小振幅振荡。这是因为3D打印钛合金塑性较差，较高的主轴转速可以大幅减小材料的塑性变形，即使再增大主轴转速，其塑性变形也不再明显。

图6  两种材料的铣削温度

(3)刀具磨损检测与分析
从图7a可以发现，锻造TC4钛合金加工刀具磨损较严重，周刃处崩刃现象非常明显，基体材料脱落较严重，且有大量钛合金基体材料粘结在刀具周刃上。这是因为在钛合金铣削加工过程中，切削区域温度较高且切屑应变速率较大，会造成一定程度的材料软化，从而粘结在刀具上。随着积屑增多，刀具刃口粗糙度增大而不再锋利，进一步增大了切削抗力。另外，在周刃后刀面上存在一些裂纹，随着裂纹进一步增大，刀具刃口材料会慢慢脱落，裸露出刀具基体材料。后刀面的涂层剥落现象也较为明显，使刀具基体材料直接与工件材料相互接触，加速了刀具周刃后刀面的磨粒磨损与扩散磨损，降低刀具的使用寿命。由图7b可知，铣刀周刃前刀面磨损较轻，基本只在刃口附近有崩刃和粘屑现象，磨粒磨损现象并不明显，比较符合逆铣加工的特点。

(a)周刃后刀面磨损

(b)周刃前刀面磨损

图7  锻造TC4钛合金加工刀具磨损

3D打印钛合金加工刀具在周刃处也存在微崩刃和基体材料脱落，且后刀面存在明显的磨粒磨损划痕，但钛合金基体材料粘结现象在周刃后刀面并不明显（见图8）。这是由于在钛合金铣削加工过程中，3D打印钛合金材料硬度高，故在加工过程中磨粒磨损现象较为严重，导致后刀面磨粒磨损划痕非常明显。而且由于材料硬脆性较大，在加工过程中出现较小的塑性变形后基体材料便会脱落，因此材料去除过程产生的热量少，不容易粘屑。在周刃后刀面上的磨损基本与锻造TC4钛合金一致。

(a)周刃后刀面磨损

(b)周刃前刀面磨损

图8  3D打印钛合金加工刀具磨损

相比于锻造TC4钛合金加工刀具，3D打印钛合金加工刀具磨损量较小，周刃刃口处微崩刃较少，周刃后刀面粘屑现象也不明显。故在同等加工参数下，3D打印钛合金材料加工刀具具有较长的寿命。

结语
（1）在相同铣削加工参数下，锻造TC4钛合金的铣削力Fx均大于3D打印钛合金的铣削力Fx，且高速铣削时前者的铣削力下降没有后者明显；
（2）在相同加工参数下，3D打印钛合金材料的铣削温度均低于钛合金锻件；
（3）相同加工参数下，3D打印钛合金材料加工刀具具有较长的寿命；
（4）加工这两种钛合金材料时，应避免切削速度在60m/min左右，在条件允许的情况下，可以采用低主轴转速和高进给速度。

来源：《工具技术》  作者：王磊