激光選區(qū)熔化鈦合金構(gòu)件的銑削力分析及參數(shù)優(yōu)化

鮑 駿, 白海清,2*, 安熠蔚, 任 禮, 秦 望

(1.陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

鈦合金材料具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫和生物兼容性好等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。目前航空航天零件重點向“結(jié)構(gòu)輕量化”和“結(jié)構(gòu)功能一體化”發(fā)展，因而鈦合金航空部件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，傳統(tǒng)加工難以達到要求。而增材制造技術(shù)更適用于制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件[2]。激光選區(qū)熔化(Selective laser melting，SLM)技術(shù)是一種根據(jù)模型設(shè)置采用高能激光束連續(xù)選擇性熔化金屬粉層的先進制造技術(shù)[3]，具有加工周期短、材料利用率高、可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的優(yōu)勢，是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)[4-5]。但現(xiàn)階段SLM技術(shù)無法直接成形出滿足裝配和使用要求的零件，通過傳統(tǒng)切削加工，可以有效彌補增材制造零件表面質(zhì)量差，尺寸精度低等缺點，是增材制造領(lǐng)域研究的熱點。

如何更好地利用減材切削加工來保障增材制造零件成形表面的質(zhì)量，滿足工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用需要是目前迫切需要解決的問題。因此國內(nèi)外學(xué)者對增材成形零件切削加工方面的研究中，Khorasani等[6]研究利用SLM技術(shù)制造的Ti-6Al-4V假肢髖臼殼的內(nèi)表面銑削加工性，通過仿真和實驗分析了銑刀和工件變形的問題；Mughal M P[7]、Gong Y D 等[8-9]指出增材成形工件的減材加工有利于減少工件殘余應(yīng)力，提高微觀組織的均勻性，表面精度與工件的力學(xué)性能。Zhao Yan-hua等[10]采用銑削力的時域、頻域信號與加工振動信號分析法研究激光選區(qū)熔化構(gòu)件的銑削特性，分析了切削參數(shù)和顯微硬度變化對切屑形貌的影響。陳曦等[11]將銑削路徑與激光掃描路徑夾角也作為影響對表面粗糙度的因素，通過試驗建立了表面粗糙度預(yù)測模型，最后利用粒子群算法進行參數(shù)優(yōu)化。侯陽琨等[12]研究了切削速度、每齒進給速度、軸向切深及徑向切深與表面粗糙度的量化關(guān)系，建立以加工效率和表面粗糙度為優(yōu)化目標的多目標切削參數(shù)優(yōu)化模型。相關(guān)文獻對增材成形零件的銑削加工具有指導(dǎo)意義，但針對其銑削力方面的研究還不夠深入。然而，航空小型結(jié)構(gòu)件受銑削力的影響變化尤為顯著，銑削力的大小直接影響切削熱和加工變形，更是影響小型結(jié)構(gòu)件加工精度的重要因素之一[13]，故探究增材成形件在銑削過程中銑削力的變化規(guī)律具有較為重要的意義。

本文的研究以TC4鈦合金粉末為原料，利用SLM技術(shù)制備增材成形構(gòu)件，設(shè)計正交銑削試驗方案，并與TC4鈦合金鍛件進行對比，通過極差分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和優(yōu)勢分析法重點探究TC4鈦合金增材成形件和其鍛件的切削性能差異，以及各銑削因素對銑削力的影響規(guī)律，從而得出最佳銑削參數(shù)組合，為后續(xù)TC4鈦合金增材成形件的銑削工藝研究提供參考。

1 銑削試驗

1.1 試驗材料制備

圖1 TC4鈦合金增材成形件

使用江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司生產(chǎn)制造的SLM設(shè)備(型號YLMs-300)，熔覆參數(shù)為掃描速度1000 mm/s、激光功率205 W、掃描間距0.05 mm，層厚H=0.03 mm，基板預(yù)熱溫度為80 ℃，送粉系數(shù)為3，條形填充掃描方式制備得到TC4鈦合金增材成形件，尺寸為30 mm×20 mm×10 mm，見圖1。制備過程在密閉環(huán)境內(nèi)進行，全程不間斷通入純度99.99%的工業(yè)氬氣作為保護氣體，氧含量控制在600 ppm以下。使用高精度密度計測得其密度為4.313 2 g/cm3(標準件密度4.51 g/cm3)。為了更為直觀的分析TC4鈦合金SLM增材成形件的銑削力結(jié)果，加入TC4鈦合金鍛件作為參照試驗組。

1.2 銑削力測量系統(tǒng)構(gòu)建

銑削試驗設(shè)備選用數(shù)控立式銑床，型號為漢川機床公司生產(chǎn)的XK950型。刀具選用整體式硬質(zhì)合金立銑刀，所屬系列為DG-ATD03，由上海工具廠生產(chǎn)，參數(shù)如表1所示。使用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的9257B型測力儀(包括三向動態(tài)壓電式測力儀、電荷放大器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集器等部件組成)對銑削試驗過程中的銑削力進行測量，銑削力測量系統(tǒng)如圖2所示。

表1 銑刀參數(shù)

圖2 銑削力測量系統(tǒng)

1.3 銑削試驗方案

為分析銑削參數(shù)即銑削深度、銑削寬度、主軸轉(zhuǎn)速與進給速度對TC4鈦合金增材成形件與TC4鈦合金鍛件銑削力的影響規(guī)律與差異，設(shè)計四因素三水平正交試驗方案，因素水平表如表2所示。A、B、C、D分別代表銑削深度、銑削寬度、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度。銑削方式采用逆銑。通過儀器測量得到TC4鈦合金SLM增材成形件與鍛件銑削力在X(進給方向),Y(徑向方向),Z(軸向方向)的實時曲線圖，在曲線圖的平穩(wěn)階段提取數(shù)據(jù)進行處理后作為實驗組三個方向的銑削力，求得銑削合力結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 銑削力結(jié)果

2 銑削試驗結(jié)果分析

2.1 極差分析

采用極差分析法可以得到試驗因素在不同水平下對試驗結(jié)果的影響程度。根據(jù)表3所得銑削力數(shù)據(jù)結(jié)果，計算各因素的各水平所對應(yīng)的試驗指標和的平均值，其計算公式為

(1)

表4 銑削力極差分析

圖3 銑削深度-銑削力關(guān)系圖 圖4 銑削寬度-銑削力關(guān)系圖

圖5 主軸轉(zhuǎn)速-銑削力關(guān)系圖 圖6 進給速度-銑削力關(guān)系圖

由圖3可知，隨著銑削深度的增加，兩試件的銑削力整體呈上升趨勢。這是因為銑削深度的增加，使得切削層橫截面增大，材料去除所需要的能量增大。兩試件銑削力在[1 mm,2 mm] 區(qū)間漲幅均大于[2 mm,3 mm] 區(qū)間，這主要是因為鈦及鈦合金在高溫時化學(xué)活性很高，在切削熱的影響下，能與空氣中的氫(水汽)、氧與氮等元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)從而生成表面脆硬層，鈦合金內(nèi)部的硬度低于表面脆硬層的硬度[14]，當(dāng)銑削深度值適當(dāng)增大時，可以在一定程度上使得刀具在切削過程中避開表面脆硬層。TC4鈦合金增材成形銑削力數(shù)值在[2 mm,3 mm]區(qū)間內(nèi)小于鍛件銑削力數(shù)值，這是因為SLM增材成形件致密程度與韌性小于鍛件，更易發(fā)生脆性斷裂，材料較易進行切除。

由圖4可知，隨著銑削寬度的增加，兩試件銑削整體呈上升趨勢。這是因為銑削寬度的增加使得刀具和工件的接觸面積增大，單位時間內(nèi)切削量增大，摩擦力增大。兩試件銑削力在[1 mm,2 mm]區(qū)間漲幅均大于[2 mm,3 mm]區(qū)間，這是因為摩擦力增大一定程度上導(dǎo)致銑削溫度上升，鈦合金出現(xiàn)了高溫軟化現(xiàn)象，所去除材料需要的能量減少。TC4鈦合金鍛件銑削力數(shù)值整體上大于TC4鈦合金增材成形件。同樣是因為增材成形件的致密度與韌性不足，材料易切除。TC4鈦合金增材成形件銑削力數(shù)值在[1 mm,3 mm]區(qū)間內(nèi)整體上小于TC4鈦合金鍛件，材料更易進行切除。

由圖5可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，兩試件銑削力整體趨勢呈下降狀態(tài)。該原因主要是由于主軸轉(zhuǎn)速的上升導(dǎo)致了銑削速度的增加，刀具在單位時間內(nèi)切入切出的量增加，切屑的產(chǎn)生量增大，在該情況下切削力會在一定程度上增大。但部分碎屑由于鈦合金材料本身的粘附特性而附著在刀具上，影響了排屑的流暢性，使得摩擦力增大，同樣導(dǎo)致切削區(qū)域溫度迅速上升，鈦合金高溫軟化現(xiàn)象明顯，這時去除材料所需要的能量減少，故其銑削力不升反降。但銑削力的上升速率與材料的高溫軟化速率并不相等，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，刀具單位時間內(nèi)切入切出量增大，銑削力上升速率增加，軟化現(xiàn)象的影響相對減弱，在二者的共同影響作用下，會出現(xiàn)銑削力在[2400 r/min,3200 r/min] 區(qū)間下降幅度明顯減緩(相對于[1600 r/min,2400 r/min]區(qū)間)這一現(xiàn)象。TC4鈦合金鍛件在[2400 r/min,3200 r/min]區(qū)間內(nèi)溫度在材料的擴散所造成的軟化影響和銑削速率影響達到了一個近似平衡的狀態(tài)，故其銑削力數(shù)值變化不明顯，而TC4鈦合金增材成形件受該二者影響的程度與鍛件不同。在[1600 r/min,2400 r/min]內(nèi)TC4鈦合金增材成形件銑削力數(shù)值整體大于TC4鈦合金鍛件，材料相比鍛件不易進行切除。

由圖6可知，隨著進給速度的增加，兩試件銑削力呈上升趨勢，這是因為隨著進給速度的增大，單位時間內(nèi)材料去除率增大，刀具切除材料所做的功增大。TC4鈦合金增材成形件在[120,170] mm/min銑削力數(shù)值變化不明顯，且小于鍛件銑削力。這主要是因為通過SLM技術(shù)工藝成形的塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力較差，易發(fā)生脆性斷裂，且隨著進給速度的上升，水平加工面內(nèi)刀具切削過程中第一變形區(qū)(剪切滑移)面積增大，TC4型鈦合金材料本身受剪切變形的影響大于壓縮變形，故在該區(qū)間內(nèi)TC4鈦合金增材成形件相對較易進行切除，數(shù)值變化不如TC4鈦合金鍛件明顯。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

關(guān)聯(lián)度是事物之間、因素之間關(guān)聯(lián)性的“量度”，灰色關(guān)聯(lián)度分析法在自變量與因變量之間定義了一種關(guān)聯(lián)系數(shù)，該系數(shù)值越大，說明自變量與因變量之間的關(guān)聯(lián)程度越大，從而為因素分析、預(yù)測的精度分析提供依據(jù),為決策提供基礎(chǔ),為主要因素的判斷提出方法途徑，該方法可以對單個或多個試驗指標進行分析優(yōu)化。其步驟如下。

(1) 建立系數(shù)矩陣，設(shè)n個數(shù)據(jù)列形成如下矩陣：

其中Xi′=[xi′(1),xi′(2),…,xi′(m) ]T,i=1,2,…,n。m為各試驗組數(shù)據(jù)的個數(shù)，n為試驗組的組數(shù)。本次試驗m=5，n=9。

(2) 由于本次試驗中主軸轉(zhuǎn)速與其余參數(shù)水平數(shù)量級相差過大，需要先對其數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，采用初始值法，計算公式為

(2)

無量綱化后數(shù)據(jù)列形成如下矩陣,其中Xj=[x1(j),x2(j),…,xn(j)],j=1,2,…,m,

(3) 確定參考數(shù)據(jù)行記為X0=[x1(k),x2(k),…,xn(k)]，逐個計算每行與參考行差值的絕對值即|X0-Xi|(i=1,2,…,n)，所得結(jié)果組成的矩陣如下:

本次試驗中選取銑削力數(shù)值對應(yīng)行作為參考行,并確矩陣中的最大值與最小值，即max|xi(k)-xi(m)|與min|xi(k)-xi(m)|。

(4) 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式為

(3)

其中i=1,2,…,9,ρ為分辨系數(shù)，在(0,1)內(nèi)取值，通常ρ取0.5。

通過計算得到各組試驗的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi值如表5所示。根據(jù)表5的計算結(jié)果將TC4鈦合金增材成形件與鍛件在各自銑削參數(shù)對應(yīng)水平下的關(guān)聯(lián)度值取平均，結(jié)果如表6所示。

表5 各組試驗關(guān)聯(lián)系數(shù)

表6 各因素對應(yīng)水平下關(guān)聯(lián)度均值

分析表6可知，兩試件均在對應(yīng)A1、B1、C3、D1水平上的關(guān)聯(lián)度值最大，即各因素在其所對應(yīng)水平上與銑削力結(jié)果的關(guān)聯(lián)度最高，亦為最優(yōu)水平。銑削深度的選優(yōu)順序為A1→A2→A3，銑削寬度的選優(yōu)順序為B1→B2→B3，主軸轉(zhuǎn)速的選優(yōu)順序為C3→C2→C1，進給速度的選優(yōu)水平為D1→D2→D3，最優(yōu)水平均為A1、B1、C3、D1，所得分析結(jié)果與極差分析一致。

2.3 優(yōu)勢分析

使用優(yōu)勢分析法，分析不同銑削參數(shù)對銑削力影響的相對重要性。根據(jù)優(yōu)勢分析理論和方法[15]，當(dāng)變量為λ個時，需要考察2λ-1種條件下變量對結(jié)果的影響，將每種情況下的參與變量與結(jié)果做回歸分析，通過回歸過程中產(chǎn)生的方差R2以及方差的變化量即增值方差ΔR2，可計算得到各變量對試驗結(jié)果的貢獻率，比較其貢獻率的大小即可得到各變量的在試驗中對結(jié)果的相對重要性，貢獻率越大說明變量對結(jié)果的影響程度越大，具體計算步驟如下。

(1)本次試驗變量個數(shù)λ=4，故需要考察15種條件情況，分別為：A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、BD、CD、ABC、ABD、ACD、BCD、ABCD。例如:A表示只有銑削深度作用時的情況，AB表示銑削深度與銑削寬度共同作用時的情況，其余同理。建立四變量優(yōu)勢分析模型如表7所示，其中k表示除自身變量作用外其余變量的個數(shù)。

表7 四變量優(yōu)勢分析模型

續(xù)表

(2) 采用AZEN等[16]提出的無模型依賴方差的相關(guān)分析方法，使用SPSS軟件中的線性雙變量功能，基于表3的數(shù)據(jù)結(jié)果，計算得到了TC4增材成形件與鍛件的銑削力(F)與4個銑削參數(shù)的相關(guān)矩陣系數(shù)如表8所示，進一步根據(jù)相關(guān)矩陣系數(shù)計算得出各條件下的方差R2，如表9所示。

表8 相關(guān)矩陣系數(shù)

表9 各種條件下對應(yīng)的方差

(3) 通過方差R2與增值方差ΔR2之間的相互關(guān)系計算ΔR2，關(guān)系式如式(4)所示:

(4)

(4) 計算各變量的平均貢獻值貢獻σk以及總貢平均貢獻值σ，公式如式(5)、(6)所示:

(5)

σ

(6)

表10 銑削參數(shù)四因素的相對貢獻率

根據(jù)表10中各銑削參數(shù)對TC4鈦合金增材成形銑削力貢獻率最大的為銑削深度，貢獻率為65.582 2%，其次為銑削寬度，貢獻率為30.875 1%，主軸轉(zhuǎn)速與進給速度對銑削力的貢獻率相同，僅有1.636 4%。由于主軸轉(zhuǎn)速與進給速度對增材成形件銑削力的貢獻率較小，因此在加工過程中，結(jié)合極差分析與灰色關(guān)聯(lián)度分析所得結(jié)果，可在較好水平的選擇上結(jié)合實際加工情況適當(dāng)放寬其參數(shù)的選擇范圍，而銑削深度與銑削寬度對增材成形件銑削力的貢獻率較大，需在較好水平的選擇上擇優(yōu)選取。各因素對銑削力影響的次序為：銑削深度>銑削寬度>主軸轉(zhuǎn)速=進給速度，故本次試驗所得TC4鈦合金增材成形件最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C3D1或A1B1D1C3。各銑削參數(shù)對TC4鈦合金鍛件銑削力貢獻率最大的為銑削深度，貢獻率為77.210 9%，其次為銑削寬度，貢獻率為21.179 2%，主軸轉(zhuǎn)速與進給速度的貢獻率分別為0.043 5%與1.563 5%。結(jié)合極差分析與灰色關(guān)聯(lián)度分析所得結(jié)果，主軸轉(zhuǎn)速與進給速度的功貢獻率遠小于銑削深度與銑削寬度，故可在較好水平的選擇上根據(jù)實際加工情況選取，銑削深度與銑削寬度需擇優(yōu)選取。銑削參數(shù)對于TC4鈦合金鍛件銑削力影響的次序為：銑削深度>銑削寬度>進給速度>主軸轉(zhuǎn)速，其最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1D1C3。

對比各銑削參數(shù)對兩試件貢獻率數(shù)值，銑削深度對TC4鈦合金增材成形件銑削力的貢獻率小于鍛件，即銑削深度改變時，增材成形件銑削力的變化程度要小于鍛件；銑削寬度對TC4鈦合金增材成形件銑削力的貢獻率大于鍛件，即銑削寬度改變時，增材成形銑削力的變化程度要大于鍛件。由于主軸轉(zhuǎn)速與進給速度對兩試件銑削力的貢獻率都很小，故不作比較。

3 結(jié)論

通過對本次試驗總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1) 由極差分析可得，TC4鈦合金增材成形件銑削力受銑削參數(shù)的影響規(guī)律與TC4鈦合金鍛件基本一致，兩試件銑削力與銑削深度，銑削寬度，進給速度呈正相關(guān)趨勢，與主軸轉(zhuǎn)速呈負相關(guān)趨勢；在其余銑削參數(shù)不變，銑削深度為 2～3 mm時，加工過程中增材成形件比鍛件容易切除；在其余銑削參數(shù)不變，銑削寬度為 1～3 mm時，加工過程中增材成形件比鍛件容易切除；在其余銑削參數(shù)不變，主軸轉(zhuǎn)速為 1600～3200 r/min時，加工過程中增材成形比鍛件難以切除；在其余銑削參數(shù)不變，進給速度為 120～170 mm/min時，增材成形件比鍛件容易切除。

(2) 通過極差分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析可得出：TC4鈦合金增材成形件與TC4鈦合金鍛件最優(yōu)水平參數(shù)基本一致，均為A1、B1、C3、D1，即銑削深度 1 mm，銑削寬度 1 mm，主軸轉(zhuǎn)速 3200 r/min，進給速度 70 mm/min。

(3) 根據(jù)優(yōu)勢分析可知，TC4鈦合金增材成形的銑削力受銑削深度的影響程度小于鍛件，受銑削寬度的影響程度大于鍛件。兩試件銑削力受主軸轉(zhuǎn)速與進給速度的影響程度都很小，可忽略不計。銑削參數(shù)對TC4鈦合金增材成形件的銑削力影響主次順序為：銑削深度>銑削寬度>主軸轉(zhuǎn)速=進給速度，最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C3D1；對TC4鈦合金鍛件銑削力影響的主次順序為：銑削深度>銑削寬度>進給速度>主軸轉(zhuǎn)速，最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1D1C3。