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激光快速成形TA15鈦合金切削加工性能
鈦合金構(gòu)件激光快速成形技術(shù)，以鈦合金粉末為原料，通過激光熔化逐層沉積（“生長制造”），直接由零件CAD模型一步完成高性能鈦合金構(gòu)件的“近凈成形”，是一種變革性的短周期、低成本、無模、數(shù)字化、先進(jìn)的制造技術(shù)。與整體鍛造等鈦合金傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，鈦合金構(gòu)件激光快速成形技術(shù)具有組織細(xì)小均勻、綜合力學(xué)性能優(yōu)異，無需鍛造加工及鍛造模具，材料利用率高、機(jī)械加工余量小、數(shù)控加工時間短、柔性高效等突出優(yōu)點(diǎn)。通過近10年的攻關(guān)，我國已率先實(shí)現(xiàn)激光快速成形大型鈦合金主承力構(gòu)件的裝機(jī)應(yīng)用。
激光快速成形鈦合金零件的表面形貌特征、顯微組織、力學(xué)性能以及尺寸余量等與傳統(tǒng)鑄造和鍛造鈦合金存在明顯差異，其機(jī)切削工藝也與傳統(tǒng)鍛造鈦合金存在差異。目前尚無有關(guān)激光快速成形鈦合金的切削加工工藝的研究報道。本課題分析了激光快速成形TA15鈦合金制件的表面形貌特征和硬度分布均勻性，重點(diǎn)研究了激光快速成形TA15鈦合金構(gòu)件的銑削、鏜削、鉆孔等切削工藝性能，切削加工刀具材料選擇和銑削工藝參數(shù)優(yōu)化。
試驗(yàn)方法
選擇北京航空航天大學(xué)激光快速成形的TA15 鈦合金飛機(jī)構(gòu)件作為典型試驗(yàn)件。TA15鈦合金飛機(jī)構(gòu)件激光快速成形后按照（750±20）℃/（2~3）h，AC熱處理制度進(jìn)行去應(yīng)力退火。采用BX51M 型光學(xué)金相顯微鏡（OM）和JSM25800型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析激光快速成形TA15鈦合金材料的顯微組織，在MH-6型半自動顯微硬度計上測試了材料的顯微硬度。
在中國航天三院159廠采用XH718/1型三軸立式數(shù)控加工中心、意大利JOBS公司J243型五軸數(shù)控龍門銑床、德國TCX110型四軸數(shù)控鏜銑床和昆明機(jī)床廠TK6913A型四軸數(shù)控鏜銑床等進(jìn)行了激光快速成形TA15鈦合金材料的銑削、鏜削和鉆孔等切削加工工藝研究，并選用鍛造TA15 鈦合金材料進(jìn)行了加工工藝性能對比研究。
激光快速成形TA15鈦合金構(gòu)件表面形貌特征
TA15鈦合金構(gòu)件激光快速成形后獲得“近終形”鈦合金零件毛坯，其表面形貌狀態(tài)將影響銑削粗加工刀具材料和銑削參數(shù)的選擇。本課題首先分析總結(jié)了激光快速成形TA15鈦合金材料的表面形貌特征，為銑削加工工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。 如圖1所示，激光快速成形逐道搭接掃描、逐層熔化沉積的工藝特點(diǎn)和液態(tài)金屬凝固過程中表面張力共同作用下，TA15鈦合金構(gòu)件激光快速成形后的表面呈現(xiàn)一種規(guī)則的波紋起伏 “魚鱗紋”狀形貌，與鍛件和鑄件較為平整的表面形貌明顯不同。研究同時表明，通過控制激光功率、光束直徑、送粉量和掃描速度等激光成形關(guān)鍵工藝參數(shù)，可以調(diào)節(jié)單層熔化沉積高度和熔池形貌，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面質(zhì)量的控制，特別是粉末流的匯聚性和光- 粉的耦合作用效果，對成形工件表面質(zhì)量的影響十分明顯。當(dāng)粉末流發(fā)散度較大時，未被捕獲入熔池的粉末較多，在灑落過程中極易被半熔化或燒結(jié)粘附于工件側(cè)壁表面（經(jīng)后續(xù)熱處理過程后成為一系列孤立凸起的氧化物硬質(zhì)顆粒）（圖2）。
圖2 激光快速成形鈦合金零件表面粘結(jié)粉末形貌實(shí)物照片
激光快速成形TA15鈦合金硬度均勻性
材料的組織結(jié)構(gòu)是影響機(jī)械加工工藝的重要因素之一。圖3為激光快速成形TA15鈦合金沿沉積生長方向的縱截面宏觀形貌，從圖中清晰可見與表面“魚鱗紋”狀形貌相對應(yīng)的逐層熔化沉積痕跡。進(jìn)一步的高倍顯微組織分析表明（圖4），激光快速成形TA15鈦合金具有超細(xì)“網(wǎng)籃狀”特殊顯微組織，其α片層細(xì)小、片層集束取向隨機(jī)多樣，具有快速凝固組織特征，這是激光快速成形鈦合金具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的凝固組織基礎(chǔ)。
圖3 激光快速成形TA15鈦合金典型顯微組織OM照片
圖5 激光快速成形TA15鈦合金材料顯微硬度分布
激光快速成形TA15鈦合金切削工藝性能
1刀具材料和刀具幾何參數(shù)選擇
由于鈦合金熱導(dǎo)率低、塑性低、金屬粘著傾向大等特性，對刀具壽命影響很大，刀具材料選用主要應(yīng)從降低切削溫度和減少粘性2方面出發(fā)。通常應(yīng)選擇紅硬性好、抗彎強(qiáng)度高、耐磨性高、導(dǎo)熱性能好且與鈦合金親和性差的刀具材料。
本課題以激光快速成形TA15鈦合金工字梁飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)為對象，對比研究了不同刀具的切削效果。結(jié)果表明，激光快速成形鈦合金切削加工的刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇基本可沿用鍛件的選擇情況，但由于激光快速成形鈦合金零件的特殊表面形貌，在銑削表面氧化層過程中，可選用高鈷高速鋼（如W2Mo9Cr4V4Co8）或鋁高速鋼（如W6Mo5Cr4V2Al）等刀具材料以降低成本。
在激光快速成形TA15鈦合金飛機(jī)構(gòu)件的銑削加工研究中發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)磨損和排屑等情況對銑刀進(jìn)行修磨，改變銑刀的幾何參數(shù)，改善切削加工性能。采用可轉(zhuǎn)位刀具和硬質(zhì)合金單刀銑削，粗加工時要求刀具前角、后角要小些，精加工時要求刀具前角、后角、螺旋角要偏大些或刀齒密些，并盡可能縮短切削刃長。加工激光快速成形TA15鈦合金飛機(jī)構(gòu)件的刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。 2 切削參數(shù)的選擇
激光快速成形TA15 鈦合金材料切削參數(shù)的選擇與鍛件基本相同，一般原則是高的切削速度、中等的每齒進(jìn)給量fz、較小的軸向切深ap 和適當(dāng)大的徑向切深ae但是，在銑削表面層時要求大的切深，以避免表面波紋起伏、粘結(jié)硬質(zhì)氧化物顆粒及表面滲氧硬質(zhì)層對刀具的急劇磨損和“打刀”崩刃。
激光快速成形TA15鈦合金飛機(jī)短梁構(gòu)件在加工表面層和正常粗加工時的銑削參數(shù)如表2所示（刀具材料均為Y330A）。 3 切削工藝性能
對激光快速成形TA15鈦合金工字梁、接頭、框等不同形狀尺寸的飛機(jī)構(gòu)件的銑削、鏜削、鉆削和攻絲等切削加工研究表明，激光快速成形鈦合金的切削工藝性能與鍛造鈦合金相當(dāng)，同時表現(xiàn)出良好的切削工藝穩(wěn)定性。這與激光快速成形鈦合金組織性能對零件形狀、尺寸、壁厚等的不敏感性有關(guān)。
研究發(fā)現(xiàn)，激光快速成形鈦合金構(gòu)件切削加工中存在以下2方面的特殊性，在制定切削工藝時必須注意。
（1）激光快速成形鈦合金構(gòu)件在粗加工之前必須對毛坯進(jìn)行細(xì)致的劃線和定位，必要時進(jìn)行試走刀。因?yàn)榧す饪焖俪尚嗡@得的是已具有一定尺寸精度的“近終形”毛坯，加工余量相比鍛件少得多，同時各部位之間已形成了尺寸關(guān)聯(lián)，因此，要求加工前對外廓和關(guān)鍵部位均進(jìn)行全面細(xì)致劃線，確定X、Y、Z三維方向上的基準(zhǔn)，從而確保精加工后零件上所有表面層（包括波紋起伏的原始表面和熱處理過程中形成的表面滲氧層）均能被加工去除。
例如，在激光快速成形TA15鈦合金某大型飛機(jī)復(fù)雜構(gòu)件（存在大量縱橫交錯筋條結(jié)構(gòu)）的加工過程中，首件粗加工僅以外廓尺寸進(jìn)行定位，結(jié)果導(dǎo)致個別筋條一側(cè)加工余量很大，而另一側(cè)的波紋起伏表面尚未加工平整；經(jīng)增加鉗工劃線和試走刀工序后，優(yōu)化調(diào)整了加工基準(zhǔn)，使各部位均有一定的加工余量。
（2）對激光快速成形鈦合金構(gòu)件進(jìn)行粗加工時，首次進(jìn)刀應(yīng)采取相對大切削深度策略，即避免刀刃直接切削波紋起伏層、表面粘結(jié)氧化物顆粒和熱處理滲氧層。初期研究工作中，若首次進(jìn)刀切深量較小，粗加工時噪聲尖銳、顫動明顯，且經(jīng)常發(fā)生崩刃現(xiàn)象，刀具磨損較快（圖6（a））；后加大切深量，刀刃切入表面氧化層以內(nèi)，切削效果明顯改善（圖6（b））。
圖6 激光快速成形TA15鈦合金表面層粗加工示意圖
4.1銑削粗加工
粗加工前在鉗工平臺上對激光成形“近終形”毛坯進(jìn)行了劃線，綜合該零件腹板下方各筋條、緣條的相對位置，以及與腹板上方2個接頭的位置關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定了加工基準(zhǔn)，并進(jìn)行試走刀，保證了加工余量的均勻性。
由于粗加工階段以快速去除加工余量、控制零件整體變形為主要目標(biāo)，同時兼顧粗加工后的超聲波檢測要求（如表面粗糙度達(dá)到Ra3.2、單側(cè)加工余量≥1.5mm等），所以采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削量的組合，切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行切向進(jìn)刀，以保證恒定的切削條件。
應(yīng)用螺旋等高速加工方式對激光快速成形TA15鈦合金工字梁進(jìn)行粗加工，獲得了較好的切削效率與表面質(zhì)量的匹配，粗加工后實(shí)物照片如圖7所示。
圖7 激光快速成形TA15鈦合金工字梁粗加工狀態(tài)
（1）采用順銑（爬升切削）方式，以保持切削條件恒定，獲得較好的表面質(zhì)量；
（2）保持金屬去除率恒定和選擇合理的走刀方式；
（3）盡量減少刀具的切入次數(shù)，可選擇回路或單一路徑切削模式來進(jìn)行順銑。
4.2銑削精加工
精加工的基本要求是獲得很高的精度、光滑的零件表面，實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。三維螺旋策略綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，可避免平行策略和偏置精加工策略中出現(xiàn)的頻繁方向改變，從而提高了加工速度，減少了刀具磨損，還可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。
針對激光快速成形某大型TA15鈦合金飛機(jī)構(gòu)件切削加工中存在大量R圓角的實(shí)際情況，在精加工中應(yīng)采用筆式加工。首先找到先前大尺寸刀具加工后留下的拐角和凹槽，然后自動沿著這些拐角走刀，允許采用越來越小的刀具，直到刀具半徑與三維拐角或凹槽的半徑相一致，從而降低了拐角處的切削難度，也降低了讓刀量和噪聲的產(chǎn)生。
采用該精加工編程策略對激光快速成形TA15鈦合金某大型“腹板+筋條結(jié)構(gòu)”飛機(jī)構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械加工，獲得了較好的效果，精加工后的局部如圖8所示。
圖8 激光快速成形TA15鈦合金工件精加工狀態(tài)實(shí)物圖
精加工后直接在數(shù)控加工中心上對工件上不同孔徑、不同方向的百余個孔進(jìn)行鉆削（圖9（a））；然后在臥式數(shù)控鏜銑床上對左右2個對稱的軸承孔進(jìn)行鏜削（圖9（b））；最后采用配模手工鉆制個別孔，并對軸承孔上的注油孔內(nèi)螺紋進(jìn)行手動攻絲，工藝參數(shù)基本參照BT20鈦合金鍛件的加工工藝。
圖9 激光快速成形TA15鈦合金構(gòu)件鏜削、鉆削和攻絲等加工后實(shí)物照片
檢測結(jié)果表明，加工后獲得了精確的孔徑、孔位和良好的孔表面質(zhì)量。實(shí)際加工過程中同時發(fā)現(xiàn)，鏜削和鉆削的穩(wěn)定性較好，刀具的磨損程度與鍛件相當(dāng)，基本未發(fā)生斷鉆現(xiàn)象。
4.4切削變形控制
針對激光快速成形尺寸達(dá)1730mm×380mm×275 mm的飛機(jī)某大型鈦合金構(gòu)件銑削等加工過程中不可避免的殘余應(yīng)力及由此帶來的加工變形，本課題從切削工藝、裝夾和冷卻等多方面研究了變形控制方法。
激光快速成形鈦合金薄壁/細(xì)長零件與鍛造鈦合金的對比試切工藝試驗(yàn)表明，激光快速成形鈦合金零件的加工回彈量相對較小，但由于所研究零件具有大平面腹板+單側(cè)不等厚/漸變厚度筋條的不對稱結(jié)構(gòu)，且零件腹板平面度要求很高，這給切削變形控制帶來了較大難度。
首先，對切削工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。針對該激光成形鈦合金零件提出了多次翻轉(zhuǎn)、單次少量加工的加工策略，在未進(jìn)行加工過程中的任何去應(yīng)力退火工藝條件下實(shí)現(xiàn)了對平面度的良好控制，但多次裝夾和重新定位耗用一定工時，并且研究過程發(fā)現(xiàn)精加工零件經(jīng)長時間放置后存在輕微變形（應(yīng)力釋放）的現(xiàn)象。據(jù)此，研究增加了半精加工和其后的去應(yīng)力退火工序，通過半精加工使最終精加工量盡量?。▎蝹?cè)加工余量由原粗加工后的2.0~2.5mm減少至0.5~1.0mm）。隨后，將半精加工件緊固于具有基準(zhǔn)平面的裝夾平臺上進(jìn)行去應(yīng)力退火，結(jié)果表明，增加半精加工和其后的去應(yīng)力退火工序后，最終精加工后零件的平面度控制效果更佳，長時間放置后重新測量零件平面度時未發(fā)現(xiàn)明顯變形，表明經(jīng)優(yōu)化工序后的切削工藝大大降低了零件中的殘余應(yīng)力水平，有利于變形控制。
其次，對裝夾方式進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明，夾具要有足夠的剛性，工件在安裝時夾緊力不宜過大，以減少加工時零件的振動或變形。此外，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切削鈦合金過程中產(chǎn)生的切削熱積于切削刃附近不易散發(fā)，造成刀具磨損嚴(yán)重、加工表面粗糙度低甚至嚴(yán)重導(dǎo)致零件過燒，因此切削過程中必須對加工零件充分澆注切削液。激光快速成形鈦合金零件的切削冷卻沒有特殊性，選用HGS-113切削液對該大型鈦合金構(gòu)件進(jìn)行切削加工時效果良好。
結(jié)論
（1）激光快速成形TA15 鈦合金“近終形”工件表面具有規(guī)則波紋起伏“魚鱗紋”狀形貌特征，這種特殊的表面形貌要求粗加工表面層時采用適當(dāng)大的切深量。
（2）激光快速成形鈦合金零件粗加工前要求進(jìn)行細(xì)致的劃線定位，必要時應(yīng)試走刀，以保證各部位均留有合適的加工余量。由于激光快速成形工件已具有一定尺寸精度，各部位之間形成了較強(qiáng)的尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系。
（3）激光快速成形TA15鈦合金的銑削、鏜削、鉆削和攻絲等切削工藝性能與鍛件無顯著差異，其加工刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇、切削工藝、冷卻與裝夾等除上述2方面特殊性外基本可參照鍛件。
（4）采用優(yōu)化的切削工藝對激光快速成形某大型TA15鈦合金飛機(jī)構(gòu)件進(jìn)行了銑削粗加工和精加工、鏜孔、鉆孔和攻絲，獲得了良好的尺寸精度和表面質(zhì)量。
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