基于鉆削性能試驗(yàn)的3D打印鈦合金加工切削參數(shù)研究

蔡 菲

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

鈦合金具備高強(qiáng)度、耐腐蝕等多重特性，成為航空航天領(lǐng)域的主要材料。從理化性質(zhì)考慮，鈦合金具備較強(qiáng)的高溫化學(xué)活性，明顯提升了加工難度?；阝伜辖鸬难芯看罅空归_，學(xué)者從結(jié)構(gòu)組織、切削性能等角度切入。但就3D打印鈦合金而言，在切削加工性能層面的研究相對(duì)空白，本文則從切削參數(shù)的角度出發(fā)，探尋不同參數(shù)加工環(huán)境下切削力與切削溫度的變化情況，并基于試驗(yàn)的方式探尋鉆削3D打印鈦合金過程中對(duì)于刀具的磨損影響。

1 3D打印

1.1 3D打印原理

3D打印技術(shù)建立在CAD零件毛坯三維模型的基礎(chǔ)上，確定堆積路徑與限制機(jī)制，通過堆積材料的方式最終構(gòu)成三維實(shí)體。基于對(duì)成品分層切片的方式，可分析各截面的輪廓，以此為基準(zhǔn)，觸發(fā)激光束噴射源做出特定的噴射行為，并對(duì)粉末燒結(jié)處理，各截面通過持續(xù)疊加的方式構(gòu)成了三維產(chǎn)品。

1.2 3D打印方法

(1)建模。利用CAD繪制零件毛坯三維模型。

(2)分層。確定具體方向，將三維模型離散，形成若干個(gè)二維層片。

(3)層面處理。通過對(duì)各層輪廓信息的分析，遵循既定的CAD工藝規(guī)劃，確定合適的加工參數(shù)，基于自動(dòng)化的方式產(chǎn)生數(shù)控代碼。

(4)層面黏結(jié)。此環(huán)節(jié)需得到成形機(jī)床的支持，將各層片聯(lián)結(jié)為整體，可得到零件毛坯實(shí)體。

(5)層層堆積。向各層噴射特定粉末材料，通過噴射粘結(jié)的方式將毛坯形狀堆積為整體。

(6)后處理。①完成零件表面清理作業(yè)，卸載各類輔助支撐裝置；②真空熱處理，以達(dá)到消除參與應(yīng)力的效果，確保3D打印鈦合金具有較強(qiáng)的組織強(qiáng)度。

1.3 3D打印特點(diǎn)

(1)較好的柔性，可獲得各類形狀的三維實(shí)體。

1.2.3 香龍血樹誘導(dǎo)培養(yǎng)。以帶腋芽莖段為外植體接種到誘導(dǎo)培養(yǎng)基上，誘導(dǎo)培養(yǎng)基配方：MS+30 g/L蔗糖+6 g/L瓊脂+0.3 g/L活性炭+6-BA+NAA，6-BA設(shè)置2.0、5.0 mg/L 2個(gè)濃度，NAA設(shè)置0.20、0.50、1.00 mg/L 3個(gè)濃度。6種誘導(dǎo)培養(yǎng)基配方見表1，每個(gè)培養(yǎng)基處理接種20個(gè)外植體。

(2)采用CAD模型驅(qū)動(dòng)的方式，具有較高的設(shè)計(jì)制造一體化水平。

(3)成形效果良好，省去了專用夾具與工具。

(4)有效控制人員干預(yù)行為，通過自動(dòng)化的方式有效成形。

(5)成形速度快，在當(dāng)前激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有突出優(yōu)勢(shì)。

2 技術(shù)背景

鈦合金具有優(yōu)良的強(qiáng)度，可抵抗各酸、堿等外界物質(zhì)的腐蝕，且密度僅為4.5 g/cm3，相比于傳統(tǒng)鋼材料而言僅為該值的60%。總體上，鈦合金在力學(xué)、物理性能等方面都更為優(yōu)越，是航空航天、電化學(xué)等領(lǐng)域的主要材料?，F(xiàn)階段，鈦合金3D打印技術(shù)已經(jīng)取得較好發(fā)展，基于3D打印鈦合金形成的部件成為民航機(jī)乃至戰(zhàn)機(jī)的主要材料。在3D打印技術(shù)的支持下，可有效控制材料消耗量，提升了加工效率。行業(yè)持續(xù)發(fā)展之下，3D打印鈦合金件具備較好的力學(xué)性能，甚至與鍛造工藝大體相當(dāng)，但普遍存在表面精細(xì)度不足的問題，通常情況下表面粗糙度約15～50 μm，難以達(dá)到高精度裝配要求，在完成3D打印后，還需采取二次切削加工措施。長(zhǎng)期以來，鈦合金切削加工均是國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究領(lǐng)域，如TC4鈦合金切削工藝等，并針對(duì)銑削參數(shù)做了合理的優(yōu)化。通過TC4棒料的車削試驗(yàn)，探尋了不同切削工藝下刀具的磨損情況，以最大程度確保刀具壽命為基本目標(biāo)，積極改良車削參數(shù)。

盡管學(xué)者的研究規(guī)模在持續(xù)擴(kuò)大，但在3D打印鈦合金切削方面所取得的研究成果相對(duì)較少，缺乏系統(tǒng)性研究成果的支持，所選用的切削參數(shù)依然停留在傳統(tǒng)鈦合金層面，最終在切削效率以及成品質(zhì)量上都無法滿足設(shè)計(jì)要求。在此背景下，提出適用于此類材料的切削工藝尤為關(guān)鍵。對(duì)此，本文則從鈦合金3D打印件作為切入點(diǎn)，為之展開銑削加工試驗(yàn)，針對(duì)銑削加工切削參數(shù)展開探討，以期給鈦合金3D打印件加工提供可行的參考，確保切削參數(shù)的合理性，在確保加工質(zhì)量的同時(shí)提升作業(yè)效率。

3 試驗(yàn)步驟

選取Hurco VMX42加工中心，在此基礎(chǔ)上展開試驗(yàn)，設(shè)置有硬質(zhì)合金鉆頭，處理外表面，為之增設(shè)金剛石土層。關(guān)于鉆頭參數(shù)，具體如表1所示。

鈦合金硬度較大，明顯提升了加工難度，因此采取的是低轉(zhuǎn)速低進(jìn)給的方式。為最大程度上控制刀具成本，選取的是低主軸轉(zhuǎn)速的方式，具體為500～1 500 r/min；為滿足生產(chǎn)效率要求，優(yōu)化進(jìn)給量，使其介于0.06～0.15 mm/r。分級(jí)提升轉(zhuǎn)速，自500 r/min開始逐步提升至800、12 00、1 500 r/min，對(duì)應(yīng)進(jìn)給量分別為0.06、0.09、0.12、0.15 mm/r。共形成16組試驗(yàn)，為確保結(jié)果可靠性，各組試驗(yàn)均操作兩次。不同試驗(yàn)組中，鉆削深度保持一致，均為12 mm。本次試驗(yàn)基于干式鉆削的方式展開，可滿足溫度與切削力的精確測(cè)量要求。

表1 鉆頭參數(shù)

選用KIsTLER9272四向壓電式測(cè)力儀、KISTLER5017B電荷放大器，在此類設(shè)備支持下精確測(cè)量數(shù)據(jù)，并使用紅外熱像儀，以滿足切削溫度的測(cè)量要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 鉆削力試驗(yàn)結(jié)果與分析

伴隨試驗(yàn)持續(xù)推進(jìn)，全程監(jiān)測(cè)軸向力，對(duì)所得數(shù)據(jù)展開分析。

圖1 軸向力與進(jìn)給量的關(guān)系

基于圖1內(nèi)容得知，進(jìn)給量提升且達(dá)到0.06 mm/r時(shí)，在此工況下主軸轉(zhuǎn)速若從500 r/min提升至1 200 r/min，表現(xiàn)出軸向力持續(xù)減少的趨勢(shì)；若主軸轉(zhuǎn)速在上述基礎(chǔ)上提升至1 500 r/min，此時(shí)軸向力幾乎不發(fā)生變化。分析其原因，與3D打印鈦合金材料特性有關(guān)，由于其具有較強(qiáng)的硬脆性，因此在主軸轉(zhuǎn)速提升過程中，鉆削區(qū)溫度也將增高，雖存在應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，當(dāng)明顯弱于溫升軟化效應(yīng)，此時(shí)材料流動(dòng)應(yīng)力持續(xù)下降，使得軸向力出現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)；此外，若在主軸轉(zhuǎn)速不斷提升之下，溫升軟化效應(yīng)大幅減弱，隨之出現(xiàn)軸向力變化微弱的情況。

圖2 軸向力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

基于圖2內(nèi)容可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/min時(shí)，伴隨進(jìn)給量的持續(xù)增加，切削力則表現(xiàn)出近似線性增加的趨勢(shì)。分析得知，受進(jìn)給速度增加的影響，使得材料去除率隨之提升，而該值與軸向力成正比關(guān)系，因此會(huì)表現(xiàn)出軸向力持續(xù)增加的趨勢(shì)。

4.2 鉆削溫度試驗(yàn)結(jié)果與分析

獲取鉆削溫度數(shù)據(jù)，通過對(duì)圖3的分析得知，進(jìn)給量達(dá)0.06 mm/r，在此工況下若主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min持續(xù)提升并達(dá)到1 500 r/min，將使得鉆削溫度明顯提升，所得的溫度曲線近似于直線。

圖3 切削溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

分析上述規(guī)律，在主軸轉(zhuǎn)速持續(xù)提升之下，明顯加大鉆頭與工件摩擦頻率，由于鈦合金熱導(dǎo)率處于較低水平，通過干式切削的方式無法在短時(shí)間內(nèi)散發(fā)熱量，因此鉆削區(qū)將出現(xiàn)溫度持續(xù)提升的現(xiàn)象。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)1 200 r/min，在此工況下，若進(jìn)給速度從0.06 mm/r持續(xù)提升并達(dá)到0.09 mm/r，鉆削溫度將出現(xiàn)明顯提升現(xiàn)象；此時(shí)，若進(jìn)給速度在該基礎(chǔ)上提升至0.15 mm/r，這一過程鉆削溫度呈現(xiàn)出先提升后下降的趨勢(shì)，總體維持在440 ℃左右。

圖4 切削溫度與進(jìn)給速度的關(guān)系

分析其原因，當(dāng)進(jìn)給速度相對(duì)較大時(shí)，每次鉆削所花費(fèi)的工件材料將明顯提升，對(duì)于能量的需求量加大，形成較多熱量，因此在鉆削區(qū)出現(xiàn)了溫度持續(xù)提升的現(xiàn)象；當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到特定值后，對(duì)應(yīng)的鉆削區(qū)溫度也將進(jìn)入到特定階段，可以發(fā)現(xiàn)工件材料出現(xiàn)了一定程度的軟化效應(yīng)，盡管單次鉆削能夠去除大量的工件材料，但僅存在微弱的鉆削抗力增加現(xiàn)象，因此溫度變化并不明顯。

4.3 刀具磨損

結(jié)束試驗(yàn)后，基于SEM電鏡分析刀具，所得結(jié)果如圖5所示。通過對(duì)圖5的分析得知，前刀面存在明顯的粘屑現(xiàn)象，并伴隨有大范圍的土層脫落；后刀面有磨粒磨損痕跡，此現(xiàn)象的出現(xiàn)主要源自于已完成加工作業(yè)的表面與后刀面的持續(xù)性磨損。在高倍率電鏡下做進(jìn)一步分析，從中選取具有代表性的區(qū)域，得到了EDS能譜，具體如圖6所示。

圖5 鉆頭磨損

圖6 鉆頭磨損EDS能譜圖

由上述分析得知：刀具①處含有大量的Ti與Al，經(jīng)分析后得知該處有大量粘屑；②處含有w、co與c，為硬質(zhì)合金材料，即刀具基體材料，出現(xiàn)了明顯的土層脫落現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

以3D打印鈦合金鉆削為背景，針對(duì)其展開全因素試驗(yàn)，改變切削參數(shù)，探尋對(duì)切削力與切削溫度的影響。通過掃描電鏡與EDS能譜相綜合的方式，明確了刀具磨損機(jī)理。通過本文的分析，得出了如下結(jié)論：

(1)在轉(zhuǎn)速恒定的前提下，由于進(jìn)給量的提升，軸向力隨之加大，且表現(xiàn)出近似直線增加的關(guān)系；當(dāng)然，若進(jìn)給量達(dá)到某一特定值，持續(xù)提升主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，軸向力的變動(dòng)規(guī)律為先增加后減小，但從1 200 r/min開始并未出現(xiàn)明顯的軸向力變化，這一現(xiàn)象持續(xù)至1 500 r/min。

(2)在進(jìn)給量保持穩(wěn)定的前提下，若主軸轉(zhuǎn)速自500 r/min開始持續(xù)提升并到達(dá)1 500 r/min，此時(shí)鉆削溫度呈現(xiàn)明顯提升趨勢(shì)；在轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定時(shí)，若進(jìn)給速度自0.06 mm/r開始持續(xù)提升并到達(dá)0.09 mm/r，此時(shí)鉆削溫度呈持續(xù)提升的趨勢(shì)；但在后續(xù)階段，進(jìn)給速度的提升使得鉆削溫度變動(dòng)較為特殊，呈先增后減的趨勢(shì)，維持在440 ℃左右。

(3)多方考慮后，將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定在800～1 200 r/min，并將進(jìn)給量調(diào)節(jié)至0.06～0.09 mm/r。

(4)鉆削3D打印鈦合金過程中，前刀面出現(xiàn)磨損，即土層剝落與黏結(jié)磨損；此外，后刀面則以磨粒磨損為主。