增材制造钛合金导轨类结构高速铣削加工精度研究

1、引言

3D打印工艺以增材制造的方式实现精密复杂结构的成型[1-2]，通过分层切片结合逐层堆积的工艺路线，借助软件将零件结构数据数字化，并通过数控系统将离散材料逐层堆积固化，完成零件结构实体制造的一种成型加工工艺[3-4]。

随着航空航天结构件一体化和轻量化设计需求不断增加[5]，急需寻找到能够满足产品指标要求的成型工艺，而3D打印增材制造通过实现零件结构内部点阵结构的成型制造获得高比强度、高比刚度、高比模量、低密度，明显降低产品重量，同时通过拓扑优化设计使得零件内部应力分布均匀[6-7]，凭借以上优点在航天相关产品中得到了广泛的应用[8-9]。钛合金3D打印增材制造导轨（下称“导轨”）由钛合金TC4粉末3D打印成型，制造后可得到较好的力学性能，并通过蒙皮厚度与点阵结构支撑杆径的控制实现了产品轻量化，但也存在因增材制造带来的变形及应力残余影响后续加工过程中的尺寸精度与形位精度控制、较薄蒙皮对加工过程中装夹及铣削力限制，同时导轨结构较长造成的加工过程中变形积累，以上因素均会造成加工尺寸精度、形位精度难保证，表面粗糙度不佳[10]，最终影响产品质量。为保证加工后的产品满足指标要求，通常还需牺牲加工效率。这使增材制造广泛应用遇到瓶颈。为了实现具有特殊形状结构件的成型与应用，同时为了保证成型件接口尺寸精度与表面质量，增减材复合加工技术应运而生。石文天等[11]针对高精度TC4材料孔加工需求，使用先SLM成型，后钻削的工艺路线，通过控制切屑排出减少积热提升了孔加工精度。张楷越[12]研究了不锈钢薄壁件DED增材制造参数及加工参数对结构变形、残余应力分布的影响。而导轨作为一种典型的细长梁结构，目前较多学者尝试从有限元仿真优化角度出发解决加工中产生的变形问题。通过改变装夹、切削参数[13-14]等方面控制或补偿加工过程中产生的变形，进而提升加工精度。高速铣削工艺具有切削力小、加工质量高、刀具寿命长、效率高等优点。庞俊忠等[15]研究发现高速铣削工艺速度提升时，因软化作用有利于得到更优的表面粗糙度值；张立峰研究发现高速铣削工艺通过提升铣削速度降低切削力，有效提升表面加工质量[16]；杨振朝等[17]、王慧等[18]研究分别发现高速铣削工艺可以改善加工表面的显微硬度、残余应力分布和表面形貌，进而提升产品疲劳性能。目前关于高速铣削加工导轨结构研究仍较少，本文使用高速铣削工艺加工导轨结构，从铣削速度、铣削深度参数入手，通过实验的方式分析了不同参数对加工精度及表面粗糙度的影响，并得出最优参数组合。

2、实验方案设计

2.1实验对象

实验研究对象为钛合金粉末3D打印增材制造零件，使用激光选区熔化技术（SLM），工艺实施过程为在粉末床上铺一层粉并刮平，激光按照模型路径快速扫描粉末，使粉末熔化烧结在一起，随后粉床下降一定高度再次铺粉，重复上述过程形成三维零件实体，增材制造选用SLM成型设备型号为BLT-S515-008，产品外形如图1所示。

零件包络尺寸为1400mm×64mm×38mm，所用钛合金粉末成分见表1，其粒度范围满足20μm<D10<30μm，30μm<D50<55μm，60μm<D90<80μm。

增材制造所选工艺参数见表2，增材制造后外部蒙皮厚度最小为0.6mm，内部点阵杆径为0.5mm。零件中导轨面特征为图2零件向视图中标注的平面，两侧对称，总长为1391mm，贯穿零件全程，起到支撑机构在其上往复运动的作用，因此对两侧面距离64mm、导轨面平面度、导轨面相对于两端平面垂直度、导轨面粗糙度有较高精度指标要求。

2.2实验方案

实验加工设备选用FPT六轴五联动方式镗铣加工中心，设备参数如表3所示。

实验加工选用刀具为直径20mm金刚石涂层三刃硬质合金直刃铣刀，根部圆角R3，外形如图3所示。

为保证增材制造后宽度方向包络尺寸能够覆盖增材制造变形，导轨面在宽度方向各设置了4mm加工余量，结合余量设计了以下加工工艺方案：导轨装夹方式如图4所示，使用垫块将导轨底部垫起并垫平，使用压块装夹导轨一侧并加工另一侧导轨面，加工分为半精加工和精加工，半精加工每轮去除1mm加工余量，执行三轮，精加工每轮去除0.5mm加工余量，执行两轮，半精加工及精加工后完成增材制造后预留余量完全去除。每轮加工完一侧导轨重新装夹加工另一侧导轨，保证导轨面左右两侧对称去除。在加工过程中，采用乳化液对刀具及零件进行冷却，降低加工过程中的温度。

本次实验共加工四件导轨产品的导轨面，每件产品分别使用一件新铣刀进行加工，分别固定选取表4中的一种转速进行加工，采用单因素实验法研究切削深度、进给量和主轴转速对表面质量的影响。为了获得较好的加工表面质量，综合考虑机床和刀具性能，选取如表4所示的实验参数。切削速度由公式v=nπD计算，公式中，n为机床主轴转速，D为加工用刀具直径。

2.3精度测试方案

导轨加工完成后，使用移动桥式三坐标对零件宽度、导轨面平面度、垂直度进行测量，设备测量范围为1173mm×1500mm×1000mm，设备精度等级为2.2+3L/1000μm，测量时在导轨面上每100mm均匀取点拟合形成平面进行评价。半精加工和精加工后分别使用MarSurfM300C粗糙度仪对导轨面表面粗糙度值进行测量，粗糙度仪测量精度Ra为0.001μm。

3、实验结果与讨论

3.1形位精度分析

导轨面平面度和相对基准垂直度直接影响机构在导轨上运动阻力及运动稳定性。首先对精加工后导轨面平面度及相对于端面（基准面）垂直度进行测量，结果如表5所示。

实验参数I～IV转速从1500r/min增至4500r/min（图5），导轨面平面度逐渐从0.28mm降至0.12mm，更高的铣削速度有利于得到更优的导轨面平面度。在更高的切削速度下，切削力更低，薄壁细长梁结构加工过程中应力释放造成的变形更小，在相同进给速度和切削深度下得到的平面度更好。

四件导轨端面（基准面）平面度均控制在0.005mm，实验参数I～IV转速从1500r/min增加至4500r/min，见图6，导轨面垂直度逐渐从0.32mm下降至0.11mm，更高的切削速度使导轨面相对于基准垂直度显著提升。在更高的切削速度下，切削力更低、加工过程中应力释放造成的变形更小、加工得到的导轨面相对于基准垂直方向的变形也更低。

3.2尺寸精度

导轨面宽度影响在导轨面上运动机构运动轨迹的精度，对精加工后导轨面宽度尺寸进行100mm/段的分段精测，得到导轨面宽度64mm，尺寸精度如表6所示。

实验参数I和II条件下，加工得到的导轨面宽度公差带宽度和误差绝对值均比实验参数III和IV更大，在更高的切削速度下，加工得到的导轨面宽度的精度更高。切削速度高时，切削力低导轨面加工过程中应力释放造成的变形更小，加工尺寸更接近理论值，在相同进给速度和切削深度下得到的导轨面宽度尺寸更好。

3.3粗糙度分析

导轨面粗糙度对导轨面后续表面处理质量及寿命有较大影响。3D打印增材制造得到的产品表面粗糙度经样板对比，仅能达到12.5μm，分别测量对半精加工、精加工后导轨面的粗糙度值，每次三个测点选在导轨面长度四等分点。得到不同工艺参数下导轨面加工后的粗糙度值如图8所示，数据详见表7。

从图8中可以发现随主轴转速增加导轨面粗糙度值降低，切削深度大时表面粗糙度值更大，且切削深度对粗糙度值影响更明显。其他参数相同时，切削深度增大，单刃切削过程中去除材料体积更大，加工过程中产生振动更大，材料离开基体表面时，基体表面更易产生不平整峰谷，导致粗糙度值增大。在实验参数范围内，随主轴转速提升，切削速度增大，切削动能增加，提升了切削能力及稳定性，易于得到更优的表面粗糙度值。

4、结束语

本文针对钛合金粉末3D打印增材制造得到的导轨面结构的加工精度控制进行了研究，根据对高速铣削工艺效果的理论分析与试验结果可得到：

a.使用金刚石涂层硬质合金高速铣削工艺加工，在实验参数条件下更高的主轴转速加工得到的导轨面平面度、垂直度更好。主轴转速4500r/min时，加工得到的导轨面平面度比1500r/min时降低57.1%，导轨面垂直度比1500r/min时降低65.6%；

b.对比不同转速加工得到的导轨面宽度指标，高转速加工得到的宽度精度范围更小，同时相比于理论值的误差绝对值更小，主轴转速4500r/min时加工得到的导轨面宽度误差绝对值比1500r/min时降低32.7%；

c.对比不同加工参数下加工得到的导轨面表面粗糙度值，更高的主轴转速、更低的铣削深度加工得到的导轨面粗糙度值更优。切削深度0.2mm、主轴转速4500r/min时加工后导轨面表面粗糙度值比1500r/min时降低57.8%，主轴转速固定时，切削深度0.2mm加工得到的导轨面表面粗糙度值比切削深度0.5mm时降低23%～58.3%。

高速铣削工艺可以实现钛合金粉末3D打印增材制造得到的导轨面结构的加工，在实验参数范围内，更高的主轴转速、更低的切削深度加工得到的形位精度、尺寸精度和粗糙度均更优，高速铣削工艺效率较高且表面质量良好，具有工程应用价值。

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