3D打印钛合金结构件铣削加工技术

1、引言

钛合金具备密度低的特性, 具有比强度高的优势, 有着屈强比高的特点, 拥有耐腐蚀的性能, 还具备高温力学性能优异的品性等这般多样显著性能之处。在航空领域得到越发广泛的应用, 于航天范畴应用日益增多起来, 在船舶行业的运用也越来越频繁, 在汽车等行业的使用更是越来越普遍。在关键零部件里的材料占比呈现出越来越高的态势。然而因钛合金材料自身所拥有的性能特性, 当采用如“锻造、铸造 + 机械加工”等传统技术来制造异常复杂的钛合金结构件之时, 存在制造工艺繁杂的状况, 有着加工工序众多的情况, 面临生产周期漫长的局面, 存在材料去除率高的问题, 以及制造成本高昂等一系列缺点, 对钛合金结构件在先进工业及国防装备里的应用形成了制约。

3D打印激光快速成形技术用合金粉末作原料, 借助激光熔化进行逐层堆积, 从零件数模一步促使高性能大型复杂结构件成型。由此成型的构件有着复杂的形状, 在节省材料方面程度很高, 这是传统铸造及机械加工方法难以达到的。然而, 通过3D打印激光快速成型技术制造出来的零件表面质量不好, 和实际应用要求存在一定差距。

针对上述所提到的各类问题, 本文是以某3D打印激光成型技术所制造生产出来的TA15钛合金零件毛坯为依据的, 在此基础之上展开增材制造钛合金结构件铣削加工技术的研究工作。研究过程中, 是分别从材料独特的特性、专门用于加工的刀具、具体的切削参数以及特定的加工路径等多个方面来进行工艺探索的, 进而提出了3D打印钛合金结构件铣削加工的工艺方案, 此工艺方案能够为后续3D打印钛合金零件的铣削加工提供一定程度的指导。

2 、材料加工特性及3D 打印零件特点

2.1材料加工特性

TA15钛合金具备良好的组织稳定性特性, 拥有韧性特质, 具备塑性特点, 具备抗腐蚀性优势, 拥有高比强度等优势, 是综合性能优良的用于航天的材料, 然而与此同时却给机械加工造成困难, 该材料有关机械加工呈现出以下这类特点:。

(1) 化学活性颇高, 亲和作用颇大, 钛合金于高温之际跟大气层里的O、N、H等开展化学反应进而生成TiO2、TiN、TiH等硬脆层, 在切削进程中因塑性变形引发硬化现象, 致使刀具极易遭受磨损, 并且切屑以及被切削表层同刀具材料相互咬合进而产生严重的粘刀现象, 让刀具出现剧烈的粘结磨损。

(2) 由于钛合金切屑于空气中氧以及氮作用下形成硬脆化合物, 致使切屑呈短碎片状, 进而使得刀－屑接触长度短, 而使得切削力与切削热集中在切削刃附近, 造成刀具崩刃现象易出现, 刀－刃接触长度短。

(3) 热传导的速率很低, 钛合金的热传导率仅仅只有15.24W/(m·K) , 在机加工的进程当中所产生的热量不容易得以散开, 在切削这种进程内部, 切削的温度呈现高热状态, 刀具发生的磨损情况十分严重。

(4) 弹性模量呈现出较低的状态。钛合金的弹性模量, 仅仅是45钢弹性模量的二分之一, 在受到载荷作用进而发生变形以后, 会产生明显较大的回弹现象, 与刀具的后刀面之间的摩擦状况严重, 导致刀具出现相当严重的磨损情况2.2激光快速成形结构本身所具备的特点3D打印成形过程当中所使用的钛合金粉末, 相关情况可见图1所示, 其颗粒直径处于45至96μm这个范围之内。在进行试验之前, 钛合金粉末被放置于120℃的这样一种环境之下进行烘干处理, 时间长达5个小时, 目的在于抑制粉末出现堵塞激光喷嘴的情况, 提升粉末本身所具有的流动性, 确保送粉量能够均匀并且保持稳定, 防止对成形质量以及精度造成不良的影响啊。最终3D打印制作而成的零件表面, 相关情况可见图2所示。打印后的零件表面质量较差，无法满足使用要求。

3、加工工艺

3.1 加工方案

装配情况为TA15钛合金的物件, 于进程中会有因塑性之变致使的残余应力产生。出于该类问题, 采用数次将其装定、逐层级实施加工的法子, 把对组件的加工进程划分成粗、半精、精处理阶段, 循序渐进地消除掉材料内的应力以及机械加工所产生的切削残余应力。依据零件所出现的变形概况状况, 工序之间按照需求开展去应力退火处置, 以此来达成最终的尺寸精度以及形位公差相符要求。

按照部件构造特性以及工作母机性能, 选用DMU数控五轴加工中心, 该中心的控制系统是海德汉530。

机床主要参数见表1。

3.2 加工参数

(1) 刀具选择

因为钛合金跟空气中氧以及氮具有很强的亲和性, 而且钛合金在加工流程里铣削的温度比较高, 所以钛合金的切屑很快地从周边空气中吸纳这些气体, 进而生成硬脆层, 与此同时, 加工环节中还存在着加工硬化这种现象。另外, 3D打印的激光快速成型毛坯表面形成硬且脆的不均匀外皮, 在进行粗加工时极容易造成崩刃状况, 故而, 钛合金粗加工要选用强度高的刀具材料。相同时间内, 鉴于钛合金材料针对刀具材料所存在的化学亲和力较强的情况, 处于切削温度偏高以及单位面积上切削力较大的状况下, 刀具容易产生粘结磨损, 所以要选用红硬性良好、强度挺高、且与钛合金材料亲和力差的刀具材料。因为钛合金的切屑呈现为碎片状, 所以, 刀具必须具备良好刀刃以及较大的容屑槽, 以此来避免因排屑时造成刀具剧烈磨损。全面综合考量以上这些因素, 选用YG类硬质合金刀具, 其参数见表2标点符号。

(2) 面对钛合金材料有着弹性模量小以及加工时候容易变形这样的特性, 来对切削刀具路径予以规划, 于刀具路径规划期间, 要充分地去考量切削过程的稳定性, 防止切削力突然之间增大。与此同时, 为了确保切出的切屑是最薄的, 应当尽可能使得刀具在加工进程里处于不对称顺铣状态。具体的刀具路径规划原则是这样的:。

①刀具路径全部采用不对称顺铣;

②避开在切削圆角处, 让刀具与材料成为大面积接触, 进而产生那种加工振动。于加工拐角位置之际, 增大拐角圆弧过渡的程度, 以此来避开大面积接触这一情况, 从而减小加工振动。

③在对深槽进行加工的时候, 以及对外形进行加工的时候, 采用螺旋铣削这种方式, 以此来保证在切削过程当中的载荷是稳定的。

面铣削的时候, 采用渐开线样式的刀具路径, 以此保证切削过程当中的载荷稳定。

⑤遵循切出最薄切屑原则，开放区域采用圆弧进刀方式。

(3) 切削参数选择

按照主运动跟进给运动方向相互之间的关系, 铣削被划分成顺铣以及逆铣。顺铣的时候切屑是从厚向着薄变化的, 逆铣的时候切屑则是从薄朝着厚变化的, （这里可以参照图3）。将钛合金用于铣削这种操作时, 适宜采用顺铣法, 这是由于刀齿切离之时切屑比较薄, 切屑不容易粘结在切削刃部分, 并且所产生出来的应力属于压应力, 加工硬化的程度比较小。然而逆铣的情况则恰恰相反, 切屑十分容易粘结, 在刀齿再次切入的时候切屑会被碰断, 进而容易致使刀具材料出现剥落崩刃这样的现象。

切削钛合金之际, 切削温度颇高, 刀具耐用度较低, 在切削用量里, 切削速度对于切削温度的影响最为显著, 所以应当尽力让切削速度所引发的切削温度趋近于最优范围, 硬质合金刀具的最优切削温度大概是650°C至750°C , 切削钛合金之时, 通常采用较低的切削速度、较大的切削深度以及进给量。

在钛合金进行切削的进程里头, 存在着加工硬化这种现象, 要是切削的深度过小, 那么刀尖就会于硬化层中间进行切削, 进而加重刀具的磨损情况, 所以要采用大切深以及低转速这样的加工方式。一般而言, 要求切削深度不小于1mm, 线速度处于20至40m/min之间。精铣时的切削试验参数列于表3。

3.3 铣削试验

按照上述提到的工艺方案, 针对该3D打印制造的零件开展铣削方面的试验。经过加工之后的尺寸达致了图纸所规定的要求。在不同切削参数情形下所获取的表面粗糙度结果呈现于表4之中。从表能够知晓, 其中在切削速度处于30m/ min、进给量为0.06mm/r、切削深度是1. 5mm这个时候, 铣削表面的质量是最为优良的。

结论

将某3D打印激光成形钛合金结构件当作研究对象, 针对加工设备展开工艺探索, 面向加工刀具进行工艺探索, 就加工路径规划予以工艺探索, 对切削参数开展工艺探索, 从而找出合适的加工方案, 借由分析判定合理的加工刀具以及切削工艺参数。依据铣削试验结果能够知道, 当切削速度是30m/ min、进给量为0.06mm/r, 切削深度为1.5mm的时候, 3D打印钛合金结构件的铣削效果是最好的。