激光增材制造TC4鈦合金銑削溫度特性研究:基于仿真與試驗的切削參數優化分析

引言

激光增材制造 TC4 鈦合金不僅能有效解決精密結構件和重要零部件的輕量化和高性能要求，而且也提高了生產制造過程的精密化程度。然而，一些精密零部件無法直接在激光增材制造環節獲得足夠的加工精度及表面質量，需要進一步切削加工，而加工過程中關于銑削溫度的研究對刀具壽命、工件表面質量及加工精度具有重要意義。因此，為滿足零件的技術要求，針對增材制造的鈦合金銑削特性研究顯得尤為重要。

目前，國內外學者針對非增材制造鈦合金等材料的切削特性研究較多。邵明輝等 [1] 采用單因素法分析了切削參數對 TC4 鈦合金切削溫度和切削振動的影響。劉杰等 [2] 通過試驗發現，AlCrSiN 涂層硬質合金車刀在切削 Ti-6Al-4V 鈦合金時，涂層刀具溫度低于未涂層刀具的溫度。趙甘霖等 [3] 通過 DEFORM-3D 軟件仿真發現，超聲振動加工鈦合金可以降低平均切削溫度。Kadam B. J. 等 [4] 研究銑削溫度與工藝參數之間的關系，為獲得最低切削溫度，使用 GA 算法對鈦合金切削溫度的預測模型進行優化。王沁軍等 [5] 基于鈦合金加工特性進行了單因素試驗，在高速銑削條件下針對切削力提出工藝參數的優選方法。Lee W. J. 等 [6] 研究切削溫度預測模型，發現在端面銑削鈦合金過程中進給量對切削溫度影響最大。董登科等 [7] 通過優化成形工藝參數使 SLM 成形 TC4 鈦合金的表面粗糙度達到 5.57~8.05 μm。丁志恒等 [8] 通過仿真軟件模擬鈦合金車削過程，結合切削熱分配的解析法，得出切削熱分配系數與切削速度的變化成正比，與切削深度的變化成反比。劉亞軍等 [9] 建立鈦合金 / CFRP 熱傳遞模型，對螺旋銑孔界面切削溫度的變化進行研究。趙先鋒等 [10] 使用有限元軟件研究了 TC4 鈦合金切屑形成過程以及切削速度與切屑形貌、剪切帶之間的關系。

綜上所述，國內外學者運用經驗公式或切削試驗等方法，針對非增材制造鈦合金的切削加工過程進行了一些研究。而增材制造層狀結構所導致的材料力學性能各向異性及鈦合金低導熱性疊加增材組織的非均勻散熱特性等問題與非增材制造鈦合金有所差異，因此，有必要對增材制造鈦合金銑削溫度進行研究和分析。本文采用仿真和切削試驗相結合的方法，對激光增材制造 TC4 鈦合金的銑削加工過程的切削溫度變化規律進行研究，為進一步探究其切削加工特性提供一定的理論基礎。

2、激光增材制造 TC4 鈦合金銑削仿真

2.1 建立刀具幾何模型

硬質合金具有較高的紅硬性，高溫下硬質合金刀具可以保持較好的切削能力，能夠更好地在干切削條件下達到銑削激光增材制造鈦合金的目的，因此采用四刃硬質合金立銑刀對激光增材制造 TC4鈦合金進行銑削，刀具的幾何參數如表 1 所示。仿真中刀具實體模型通過 UG 軟件建模并裝配，刀具建模如圖1所示。

表 1 刀具幾何參數

2.2 銑削仿真模型及方案

工件采用 TC4鈦合金粉末作為原材料，通過激光燒結成形技術制備，其物理力學性能［11］如表 2所示。采用Johnson-Cook本構模型［12］對激光增材制造TC4鈦合金銑削過程進行仿真分析，表達式為

式中，σ為流動應力；A為試驗材料屈服應力；B為應變硬化系數；ε為等效應變；n為應變硬化指數；C為應變率敏感系數；ε為等效應變率；ε0 為參考應變 率；T* 為無量綱溫度；T 為試驗溫度；T0為參考溫度（室溫）；Tm為試驗材料的熔點；m為溫度敏感系數。

表 2 TC4 鈦合金的物理力學性能（室溫）

在使用 J-C 模型時，應對材料各向同性應變硬化準則作出假設，其主要考慮了應力、應變、應變率及溫度的耦合關系，并未考慮材料的彈性變形。該靜態試驗在室溫下進行，T0 = 30 ℃。針對A，B，C，m和 n，需要進行求解分析，相應本構模型參數［11］如表3所示。

表 3 本構模型參數

采用三因素四水平正交試驗對銑削增材制造TC4 鈦合金的銑削溫度進行分析，選取銑削寬度（10 mm）為固定值，選取切削速度、銑削深度和每齒進給量為試驗因素，結合實際加工選取 4 個水平進行銑削仿真和切削試驗，正交試驗表如表4所示。

表 4 正交試驗因素水平

選擇DEFORM軟件進行銑削加工過程仿真，將工件設為塑性體，劃分網格數目為 60 000，并加入網格窗，使工件在窗口內的網格劃分更為精細。將銑刀設為剛性體，刀具網格數目劃分為 40 000。工件和銑刀的網格劃分如圖2所示。

圖3所示為仿真銑削過程中銑削溫度場的分布情況。可以看到，與刀尖接觸的切屑根部出現銑削仿真過程的最高溫度。隨著銑削溫度不斷升高，與切屑接觸的刀具前刀面也受到銑削溫度升高帶來的影響，進而引起刀具前刀面溫度升高。此外，銑削過程中刀具使材料產生塑性變形引起劇烈摩擦，切屑產生時，摩擦主要發生在刀尖刃口區以及前刀面，應變的產生以及應變率的變化會造成該區域在高速銑削下發生劇烈摩擦，產生較高的溫度。

2.3 仿真結果及分析

通過銑削過程仿真得到不同切削用量下的銑削溫度變化數據，如表5所示。

表 5 銑削溫度仿真結果

表 6 所示為銑削溫度仿真的極差分析結果，通過分析極差 R值，得出切削用量對銑削溫度影響程度為切削速度vc > 銑削深度ap > 每齒進給量fz，銑削激光增材制造鈦合金的最優參數選擇為 vc1ap1fz1，即切削速度vc = 55 m/min，銑削深度ap = 0. 3 mm，每齒進給量fz = 0. 04 mm/z。

表 6 銑削溫度極差分析結果

3、銑削激光增材制造 TC4 鈦合金試驗

3.1 試驗條件及方案

試驗機床為 VMC850E 加工中心，試驗刀具選擇與仿真相同的硬質合金四刃立銑刀，其參數如表1所示。試驗工件采用SLM激光增材制造（原材料為球形 TC4 鈦合金粉末）的 TC4 鈦合金。采用 Tix660紅外熱像儀測量銑削過程中的刀具及工件溫度，該熱像儀的量程為40 ℃ ~ 1 200 ℃。銑削試驗現場如圖4所示。

銑削試驗所用的切削用量與銑削仿真一致，通過正交試驗法與單因素試驗法進行研究分析，銑削試驗正交參數表如表7所示。

表 7 銑削試驗正交參數

3.2 試驗結果分析

以切削速度55 m/min、銑削深度0. 3 mm和每齒進給量 0.04 mm/z 為仿真最優參數，設計單因素試驗方案。通過紅外測溫儀將試驗所采集到的銑削溫度導入SmartView軟件進行數據分析，如圖5和圖6所示。去除兩組最大值和兩組最小值，求得平均值作為試驗結果，如表8所示。

表 8 銑削溫度試驗結果

表 9 所示為對試驗所得銑削溫度進行極差分析的數據表，可得切削速度 55 m/min、銑削深度0. 3 mm、每齒進給量 0. 04 mm/z 為本試驗最佳的切削參數組合，與仿真結果一致。

表 9 試驗所得銑削溫度的極差分析

如圖 7 所示，將仿真與試驗銑削溫度進行對比分析，得出數據的最大誤差為 3. 2%，在允許的范圍內，證實了仿真數據的可靠性，說明仿真模型具有合理性。

4、結論

（1）通過銑削激光增材制造 TC4鈦合金的仿真和試驗，并對試驗結果進行極差分析后，可得切削參數對銑削溫度的影響順序為切削速度 > 銑削深度 > 每齒進給量。

（2）在所研究的切削參數范圍中，銑削溫度最小時的切削參數組合如下：切削速度為 55 m/min、銑削深度為0. 3 mm和每齒進給量為0. 04 mm/z。

（3）對比仿真與試驗的銑削溫度數據，得出仿真與試驗最大相對誤差為 3. 2%，證實了仿真數據 的可靠性，證明仿真模型具有可行性。

參考文獻

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基金項目：沈陽理工大學國防科技創新團隊培育建設計劃資助項目（SYLUGFTD202102）

收稿日期：2024 年 4 月

第一作者：胡錦淵，碩士研究生，沈陽理工大學機械工程學院，110159 沈陽市

First Author：Hu Jinyuan，Postgraduate，School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China

通信作者：金成哲，教授，沈陽理工大學機械工程學院，110159 沈陽市

Corresponding Author：Jin Chengzhe，Professor，School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China