增材制造鈦合金的微銑削加工試驗

為了保證精密零部件在特殊條件下的正常使用，航空航天、國防科技和生物醫療等重要領域對于材料性能提出了極為苛刻的要求。鈦合金材料同時兼備了上述領域所需的材料性能，具有較強的抗腐蝕能力、較高的比強度、較好的材料韌性以及較強的生物兼容性，繼而成為了應用于這些重點領域的重要材料［1?3］。尤其是在航空航天領域中，鈦合金材料被廣泛應用于各種結構件、發動機零部件、燃氣渦輪葉片等重要部件中。隨著航空航天的發展，各部件肩負的功能日益增多，且結構趨向復雜化，傳統的材料成型工藝難以快速構造出復雜的結構特征，無法滿足航空航天領域對于復雜產品快速制備的需求［4］。隨著金屬增材制造技術趨向成熟，其憑借快速性、低成本、生產周期短和適用性強等優勢［5?7］，為生產加工復雜零部件提供了新的思路和解決方法。

增材制造鈦合金與鍛造鈦合金存在一定的材料性能差異［8］，比如硬度、塑性等，這種差別對后處理加工會產生一定的影響，對于推動增材制造鈦合金的應用同樣也提出了一定的挑戰。為解決這一問題，許多學者針對增材制造鈦合金展開了研究。Khorasani等［9］使用球頭銑刀對激光選區熔化（Se?lectivelasermelting，SLM）技術制造的Ti6Al4V假肢髖臼殼的內表面進行銑削加工，通過仿真和試驗分析了銑刀和工件變形的問題。Campos等［10］采用無涂層的硬質合金方頭銑刀對SLM技術制備的Ti6Al4V進行微細銑削，并與普通鈦合金樣品進行了比較，發現SLM試驗樣品具有更高的強度、硬度，且加工過后其產生的毛刺更少。戰祥鑫等［11］使用YG類硬質合金銑刀對增材制造鈦合金進行銑削試驗，從材料性能、加工流程、加工設備、加工刀具、加工路徑規劃和切削參數等方面進行研究，獲得了較好的產品表面質量和較優的切削參數。Al?Rubaie等［12］利用涂有物理氣相沉積(Physi?cal vapor deposition,PVD)TiAlN涂層的硬質合金刀具進行銑削試驗，將常規鈦合金、SLM鈦合金以及SLM去應力鈦合金三者進行對比，試驗結果表明SLM工藝引起的材料微觀組織變化以及硬度和殘余應力的增加并沒有導致材料發生足夠大的加工行為差異，加工常規鈦合金的切削參數同樣適用于SLM制備的鈦合金。

雖然金屬增材制造技術能夠解決復雜、精密的鈦合金零部件的制備問題，但是現有金屬增材制造技術制備出的零部件通常無法直接滿足精密產品的應用要求，往往需要通過后處理加工使其達到所要求的加工尺寸、精度等［13］。微銑削工藝具有材料適用性廣、加工精度高、生產成本低且生產周期短等多種優勢，能夠在三維立體表面進行復雜特征的加工，該技術已經成為微切削加工中的重點研究對象［14?15］。并且，在對鍛造鈦合金進行精細結構加工時，同樣需要微銑削工藝的參與，因此研究不同制造工藝的鈦合金材料的微銑削加工性能對于推動鈦合金材料的進一步應用具有重要意義。

鈦合金材料的導熱率差、切削溫度高且容易使硬質合金刀具發生粘結磨損，是典型的難加工材料［16?18］?，F有的研究發現，傳統的硬質合金刀具在加工鈦合金時存在加工精度較差、刀具壽命過短以及刀具磨損大等問題［19?21］。選用超硬材料刀具對鈦合金進行加工是獲取高精度、高質量的加工表面的重要手段［22］。聚晶金剛石Polycrystallinedia?mond，PCD）刀具依靠耐磨性好、刀具散熱好等優勢，成為難加工材料獲取高質量加工表面的關鍵工具［23］。Hao等［24］通過微銑削試驗，從表面粗糙度、銑削力和刀具磨損等方面驗證了PCD超硬材料微細銑刀的加工性能優于傳統硬質合金微細銑刀。

馮素玲等［25］通過高速銑削鈦合金試驗，發現了PCD刀具壽命比硬質合金刀具增加了4倍左右，并且能夠獲得更小的表面粗糙度。Wu等［26］對純鎢進行微銑削試驗，提出PCD刀具可以在更寬的范圍中選擇加工參數進行加工，且PCD刀具的加工質量和刀具壽命均要優于商用碳化鎢螺旋銑刀。

上述的研究都表明，PCD刀具比硬質合金刀具更適用于難加工材料的加工。

雖然目前已有學者將增材制造鈦合金與鍛造鈦合金進行對比研究，但多是選用傳統硬質合金作為對比試驗的加工刀具。采用超硬材料刀具對增材制造鈦合金及鍛造鈦合金進行加工性能對比的研究還相對較少。本文選用PCD微銑刀開展了微銑削試驗，從銑削力、頂端毛刺和表面粗糙度等方面入手，對比了鍛造鈦合金、SLM?鈦合金以及SLM?熱處理鈦合金的微銑削加工性能。根據本研究的試驗結果能夠有針對性地對不同制造工藝的鈦合金材料進行加工參數的優化，以便獲得更好的加工質量。

1、試驗設置

本文選用直徑為1mm的單刃PCD微銑刀作為開展微銑削試驗的刀具，刀刃長度為5.5mm，刀具前角為0°，后角為7°，底刃傾角λ為3°，如圖1所示。試驗前使用基恩士超景深顯微鏡VHX1000檢測確認刀具刃口保持完好，并測得刀尖圓弧半徑rε為6.9μm，刃口圓弧半徑rβ為7.1μm。

本文選用的3種試驗材料包括：鍛造的標準鈦合金材料、激光選區熔化技術制備的未經過熱處理和經過熱處理的鈦合金材料，本文在后續將3種不同制造工藝的鈦合金材料分別簡寫為：鍛造、SLM以及SLM?熱處理。3種不同制造工藝的鈦合金材料的牌號均為TC4，其對應的力學性能參數如表1所示。增材制造鈦合金由飛而康快速制造科技有限責任公司制備，選用的激光功率為360kW，掃描速度為1700mm/s，粉末粒度直徑為15~53μm。對增材制造鈦合金的熱處理溫度為800℃，采用室溫冷卻。

本試驗利用電火花線切割技術將3種鈦合金材料都切割成尺寸為4mm×10mm×35mm的試驗工件，并從左到右按照SLM?熱處理鈦合金、SLM?鈦合金、鍛造鈦合金的順序將其排布在轉接板上，如圖2（a）所示。擺放工件時，根據打印方向，將兩種增材制造鈦合金材料按照相同的方向進行擺放，消除各向異性對試驗結果的影響。微銑削試驗設置如圖2（b）所示，試驗在北京精雕JDGR200T五軸高速加工中心上進行，采用Kistler9257B測力儀對銑削力進行收集，Kistler9257B測力儀的Fx、Fy、Fz的分辨率均為0.01N。分析銑削力時，首先對測得的原始數據采用低通濾波，獲得較為穩定的力信號，然后在每組銑削力信號上選取4個不同的穩定切削時的位置測量最大值，取平均值作為銑削力的最終測量結果。

微銑削試驗參數如表2所示，分別選擇4種不同水平的主軸轉速、銑削深度和每齒進給量對3種不同制造工藝的鈦合金進行單因素微銑削試驗。試驗全程采用水基切削液進行冷卻。每次試驗都一次性以相同的銑削參數對3種不同制造工藝的鈦合金材料進行銑削。為了保證工件擁有良好的平面度，以便精確進行試驗，微銑削試驗開始前對所有工件表面進行面銑削，確保所有試驗工件的高度一致。試驗結束后，將試驗工件從工作臺上拆下，利用基恩士超景深顯微鏡VHX1000對銑槽頂端毛刺寬度進行檢測。如圖3所示，利用基恩士超景深顯微鏡VH1000測量頂端毛刺寬度，在銑槽頂端毛刺均勻生成的區域進行檢測，分別選取5個不同位置測量，并取平均值作為頂端毛刺寬度測量的最終結果。檢測完頂端毛刺后，將工件超聲清洗干凈，用非接觸式白光干涉光學輪廓儀ZygoNV7300對表面粗糙度進行測量。在每條微銑削槽的4個不同位置，沿刀具進給方向進行表面粗糙度測量，測量時選取的取樣長度為0.25mm，取平均值作為表面粗糙度的最終檢測結果。

2、試驗結果與討論

2.13種不同制造工藝的鈦合金材料的銑削力分析

3種鈦合金材料在不同每齒進給量條件下銑削力的變化情況如圖4所示。通過圖4（a）可以直觀看出，隨著每齒進給量的增加，3種材料的銑削力均隨之增大，因為單位時間內微銑刀去除的材料量增加，銑削力隨之上漲。其中鍛造鈦合金銑削合力的變化最大，隨著每齒進給量從1μm/z增加到4μm/z，鍛造鈦合金的銑削合力從1.19N上漲至4.35N。而SLM?鈦合金、SLM?熱處理鈦合金的銑削合力分別從1.18、1.74N上升至3.56、3.95N。

從圖4（b）可以看出，主銑削力Fy的顯著增大是造成銑削合力快速上漲的主要原因。不難發現，SLM?熱處理鈦合金在加工時的銑削分力在大多數情況下都要高于其余兩種材料。

圖5展示了3種鈦合金材料在不同銑削深度下銑削力的變化情況。從圖5（a）可以看出，軸向力Fz最小，且Fz受到銑削深度的影響最小。隨著銑削深度的加深，鍛造鈦合金、SLM?鈦合金以及SLM?熱處理鈦合金的Fz分別從1.16、1.14、1.35N上漲至1.51、1.51、1.75N。由于PCD微立銑刀底部存在底刃傾角（λ=3°），該角度是用于減小刀具與已加工表面上發生彈性回復的材料的接觸，增強銑削加工的穩定性，優化加工表面質量。當刀具磨損較小時，底刃傾角的變化較小，銑削深度的增大并不會顯著造成與微銑刀底面接觸的工件材料面積增大。因此，在主軸轉速和每齒進給量不變的條件下，由于銑削深度變化造成Fz的變化幅度較小。銑削合力的變化主要受到主銑削力Fy和進給抗力Fx的影響。

這是因為，微銑削加工主要是在X?Y平面上去除材料的過程，Fx、Fy是去除材料時主要的力。圖5（b）能夠直觀地看出，SLM?熱處理鈦合金在加工過程中產生的銑削力明顯大于其余兩種材料。這可能是由于SLM?熱處理鈦合金材料的硬度較高，去除材料時所需的力較大。

圖6反映了在不同主軸轉速下3種不同制造工藝的鈦材料的銑削力變化情況。通過圖6（a）能夠看出，隨著主軸轉速的加快，不同鈦合金材料的三向銑削力均呈現減小的趨勢。隨著主軸轉速的增大，單位時間內微銑刀去除材料的量減小，進而使得銑削力下降。從圖6（b）可以發現，SLM?熱處理鈦合金對于主軸轉速的變化最為敏感，隨著主軸轉速的加快，銑削力下降幅度最為明顯。當主軸轉速從12000r/min加速至21000r/min時，鍛造鈦合金、SLM?鈦合金以及SLM?熱處理鈦合金的銑削合力分別從2.18、2.38、3.09N下降至1.56、1.88、2.04N。此外，從圖6中能夠明顯觀察到，鍛造鈦合金的銑削力要明顯小于另外兩種增材制造鈦合金材料。

通過分析不同銑削參數對3種鈦合金材料銑削力的影響，能夠發現：總體來看微銑削加工時SLM?熱處理鈦合金材料的銑削力比鍛造鈦合金和SLM?鈦合金的銑削力都要大，且鍛造鈦合金材料的銑削力最小，材料硬度的差異是造成這種情況的重要原因。此外，受到SLM工藝自身缺陷的影響，通過SLM工藝打印的鈦合金材料未經過熱處理時會存在較大的孔隙度，導致材料性能較差［27］，而這種情況在材料經過熱處理后會被改善。有研究表明較大的孔隙度會引起銑削力的減?。?8］，SLM?熱處理鈦合金要比SLM?鈦合金更為致密，材料孔隙度更小，因此其銑削過程產生的銑削力更大。

2.23種不同制造工藝的鈦合金材料的頂端毛刺分析

毛刺的寬度和高度是評價毛刺的參數，由于微銑削毛刺較小，對測量工作會造成一定的困難，為了便于定量分析毛刺規律，本文選用光學顯微鏡對頂端毛刺的寬度進行檢測。圖7為3種鈦合金材料在不同銑削參數下的頂端毛刺寬度。對比順銑側和逆銑側的頂端毛刺寬度，能夠發現，在不同銑削條件下3種鈦合金材料逆銑側毛刺尺寸均大于順銑側毛刺尺寸［10］。圖8所示為鈦合金材料順逆銑側頂端毛刺形成機理差異的示意圖。由于鈦合金材料的塑性較好，在去除材料過程中工件材料會發生較大的塑性變形，在逆銑側，受到未加工表面的阻礙，這部分發生塑性變形的材料會產生較大的塑性側流，本該形成切屑脫落的變形材料演變成較大的毛刺留在了工件頂端。因此在逆銑側，多會沿著刀具切削刃的旋轉和進給方向形成尺寸較大的頂端毛刺。而在順銑側，發生塑性變形的材料會形成較大的材料堆積，這部分堆積的材料會隨著刀具切出工件表面時，借助刀具的推動作用從工件表面脫落，少數材料形成尺寸較小的頂端毛刺。

觀察圖7（a，b）能夠發現，當每齒進給量很小時，加工過程生成的頂端毛刺尺寸較大，這是由于此條件下刀具的瞬時切削厚度小于材料的最小切削厚度，銑削加工處于負前角切削狀態，去除材料過程刀具對材料的擠壓、犁耕作用嚴重，增加了材料塑性變形，進而促進了毛刺的生長。當每齒進給量增大，刀具開始正常進行切割作用，毛刺尺寸先下降，在fz=2μm/z獲得最小值。此處鍛造鈦合金、SLM?鈦合金和SLM?熱處理鈦合金獲得的逆銑側最小毛刺寬度分別為184.78、152.3、173.03μm，順銑側最小毛刺寬度分別為152.89、125.39、139.50μm。隨著進給速度的進一步加快，刀具單次去除材料量增多，材料變形量增大，毛刺尺寸隨之增長。圖7（c，d）反映的是銑削深度對頂端毛刺寬度的影響，隨著銑削深度的增大，3種材料逆銑側的毛刺寬度也隨之增大，這是由于銑削深度加深，材料去除量增大，切屑的排出受到限制，刀具與工件材料的摩擦、擠壓嚴重，材料塑性側流增加，形成較大毛刺。然而，順銑側毛刺隨著銑削深度的增加先增大，當銑削深度ap>10μm，毛刺寬度又開始減小。這一現象可能是因為銑削深度超過了一定的界限切削深度，順銑側的頂端毛刺形成了尺寸較小的二次毛刺（Ⅱ型毛刺）［29?30］。從圖7（e，f）中可以看出，頂端毛刺隨著主軸轉速的加快呈現下降的趨勢，說明轉速的提高有利于減少刀具與材料間擠壓的時間，有利于減少材料的變形和塑性側流，抑制頂端毛刺的增長。

觀察圖7可知，在不同銑削條件下SLM?鈦合金的頂端毛刺尺寸不論是在順銑側還是逆銑側都要小于SLM?熱處理鈦合金以及鍛造鈦合金。這可能是因為SLM?鈦合金的塑性較差，切削時材料發生塑性變形的程度較小，且更容易從工件表面脫落，生成的頂端毛刺較小。

2.33種不同制造工藝的鈦合金材料的表面粗糙度分析

不同銑削參數對3種鈦合金材料表面粗糙度的影響如圖9所示。如圖9（a）所示，隨著每齒進給量的增大，3種鈦合金材料的表面粗糙度均先下降后上升，并在fz=2μm/z獲得最小的表面粗糙度。鍛造鈦合金、SLM?鈦合金以及SLM?熱處理鈦合金的最小表面粗糙度分別為47.84、65.33、45.69nm。這是由于當每齒進給量很小時，刀具的瞬時切削厚度小于最小切削厚度，受到尺寸效應的影響，加工過程的不穩定現象增多，此時的銑刀以滑擦、犁耕去除材料為主，并非正常的切割作用，因此會導致表面粗糙度較大，獲得的表面質量較差。隨著每齒進給量的增加，去除材料的作用由最初的擠壓、犁耕轉向正常的切割作用，表面粗糙度出現下降趨勢。隨著進給速度的進一步加快，瞬時切削厚度增大，導致銑削力增大，切削過程不穩定現象增加，刀具產生振動，容易導致表面質量變差。

圖9（b）是表面粗糙度受銑削深度影響的變化曲線?？梢钥闯?，隨著銑削深度的逐漸增加，微銑槽的表面粗糙度呈上升趨勢。銑削深度的增加會導致單位時間去除的材料量增多，容易導致較大的切削力。以較大銑削深度加工時刀具容易發生振動，導致加工過程不穩定，進而影響表面質量。圖9（c）是主軸轉速對表面粗糙度的影響，能夠發現主軸轉速加快，表面粗糙度略有下降，但是當主軸轉速達到18000r/min時，表面粗糙度又有所上升，這可能是由于較快的轉速使得刀具產生振動，表面粗糙度出現波動。

通過對3種鈦合金材料在不同銑削參數下表面粗糙度的定量分析，能夠發現，SLM?熱處理鈦合金在微銑削加工時獲得的表面粗糙度要小于鍛造鈦合金和SLM?鈦合金。SLM?鈦合金在變每齒進給量和變主軸轉速條件下獲得的表面粗糙度要明顯大于其余兩種材料。鍛造鈦合金在不同銑削參數下獲得的表面質量均處于中等的水平。較高的材料硬度和較低的材料塑性能夠降低加工時的材料流動，進而獲得更好的表面質量［31］，因此SLM?熱處理鈦合金的表面粗糙度要低于鍛造鈦合金。雖然SLM?鈦合金的材料硬度高于鍛造鈦合金，且材料塑性低于鍛造鈦合金，但是由于其孔隙度較大，容易惡化加工后的表面質量［32］，導致其加工后的表面粗糙度要高于其余兩種鈦合金材料。

圖10是3種鈦合金材料在不同每齒進給量條件下的表面形貌。當fz=1μm/z時，由于刀具對工件的犁耕作用嚴重，3種鈦合金材料經過銑削后獲得的表面形貌均較差，表面輪廓曲線變化劇烈。隨著每齒進給量增加，在fz=2μm/z時，3種鈦合金材料的表面質量有所改善，材料凸起高度變小，表面輪廓曲線變化較為均勻。隨著每齒進給量進一步增大，3種鈦合金材料的表面形貌又開始惡化。通過整體分析能夠得到，SLM?熱處理鈦合金的銑削表面在3種鈦合金材料中最好。相較于鍛造鈦合金和SLM?熱處理鈦合金，加工后的SLM?鈦合金的表面輪廓曲線變化最為劇烈，獲得的表面質量最差。

3、結論

本文以PCD微銑刀作為試驗刀具，開展了微銑削試驗。通過對銑削力、頂端毛刺寬度以及表面粗糙度進行分析，研究了在不同銑削參數條件下鍛造鈦合金、SLM?鈦合金以及SLM?熱處理鈦合金的微銑削加工性能。得到的相關結論如下：

（1）微銑削加工時3種不同制造工藝的鈦合金材料的銑削力變化趨勢均符合變化規律。SLM?熱處理鈦合金材料加工產生的銑削力比鍛造鈦合金和SLM?鈦合金的銑削力都要大，且鍛造鈦合金材料的銑削力最小。材料硬度的差異是造成這種情況的重要原因。除此之外，SLM?鈦合金較大的孔隙度也導致了其銑削力小于SLM?熱處理鈦合金。

（2）由于鈦合金材料順逆銑側頂端毛刺形成機理的差異，微銑削加工產生的逆銑側毛刺尺寸均要大于順銑側毛刺尺寸。在不同銑削條件下SLM?鈦合金的頂端毛刺尺寸不論是在順銑側還是逆銑側都要小于SLM?熱處理鈦合金以及鍛造鈦合金。這是由于SLM?鈦合金的塑性較差，切削時材料發生塑性變形的程度較小，生成的頂端毛刺較小。

（3）3種不同制造工藝的鈦合金材料的表面粗糙度隨每齒進給量增大，呈現先下降后上升的變化規律，并在fz=2μm/z獲得最小的表面粗糙度。這種現象是受到尺寸效應影響的典型結果。較高的材料硬度和較低的材料塑性能夠降低加工時的材料流動，進而獲得更好的表面質量，因此SLM?熱處理鈦合金的表面粗糙度要低于鍛造鈦合金。由于孔隙度較大，容易惡化加工后的表面質量，即使SLM?鈦合金的硬度高于鍛造鈦合金，且塑性小于鍛造鈦合金，但其加工后的表面粗糙度仍舊較高。

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