为了保障精密零部件在特殊前提下的正常使用，航空航天、国防科技和生物医疗等沉要领域对于资料机能提出了极为刻薄的要求。钛合金资料同时兼备了上述领域所需的资料机能，拥有较强的抗侵蚀能力、较高的比强度、较好的资料韧性以及较强的生物兼容性，继而成为了利用于这些沉点领域的沉要资料［1?3］。尤其是在航空航天领域中，钛合金资料被宽泛利用于各类结构件、发起机零部件、燃气涡轮叶片等沉要部件中。随着航空航天的发展，各部件肩负的职能日益增多，且结构趋向复杂化，传统的资料成型工艺难以急剧机关出复杂的结构特点，无法满足航空航天领域对于复杂产品急剧造备的需要［4］。随着金属增材造作技术趋向成熟，其凭借急剧性、低成本、出产周期短和合用性强蹬着势［5?7］，为出产加工复杂零部件提供了新的思路和解决步骤。

增材造作钛合金与铸造钛合金存在肯定的资料机能差距［8］，好比硬度、塑性等，这种差距对后处置加工会产生肯定的影响，对于推动增材造作钛合金的利用同样也提出了肯定的挑战。为解决这一问题，很多学者针对增材造作钛合金发展了钻研。Khorasani等［9］使用球头铣刀对激光选区溶解（Se?lectivelasermelting，SLM）技术造作的Ti6Al4V假肢髋臼壳的内表表进行铣削加工，通过仿真和试验分析了铣刀和工件变形的问题。Campos等［10］选取无涂层的硬质合金方头铣刀对SLM技术造备的Ti6Al4V进行渺小铣削，并与通常钛合金样品进行了比力，发现SLM试验样品拥有更高的强度、硬度，且加工过后其产生的毛刺更少。战祥鑫等［11］使用YG类硬质合金铣刀对增材造作钛合金进行铣削试验，从资料机能、加工流程、加工设备、加工刀具、加工蹊径规划和切削参数等方面进行钻研，获得了较好的产品表表质量和较优的切削参数。Al?Rubaie等［12］利用涂有物理气相沉积(Physi?calvapordeposition,PVD)TiAlN涂层的硬质合金刀具进行铣削试验，将通例钛合金、SLM钛合金以及SLM去应力钛合金三者进行对比，试验了局批注SLM工艺引起的资料微观组织变动以及硬度和残存应力的增长并没有导致资料产生足够大的加工行为差距，加工通例钛合金的切削参数同样合用于SLM造备迪胙合金。

固然金属增材造作技术可能解决复杂、精密迪胙合金零部件的造备问题，但是现有金属增材造作技术造备出的零部件通常无法直接满足精密产品的利用要求，往往必要通过后处置加工使其达到所要求的加工尺寸、精度等［13］。微铣削工艺拥有资料合用性广、加工精度高、出产成本低且出产周期短等多种优势，可能在三维立体表表进行复杂特点的加工，该技术已经成为微切削加工中的沉点钻研对象［14?15］。并且，在对铸造钛合金进行精密结构加工时，同样必要微铣削工艺的参加，因而钻研分歧造作工艺迪胙合金资料的微铣削加工机能对于推动钛合金资料的进一步应器拥有沉要意思。

钛合金资料的导热率差、切削温度高且容易使硬质合金刀具产生粘结磨损，是典型的难加工资料［16?18］。现有的钻研发现，传统的硬质合金刀具在加工钛合金时存在加工精度较差、刀具寿命过短以及刀具磨损大等问题［19?21］。选用超硬资料刀具对钛合金进行加工是获取高精度、高质量的加工表表的沉要伎俩［22］。聚晶金刚石Polycrystallinedia?mond，PCD）刀具依附耐磨性好、刀具散热好蹬着势，成作难加工资料获取高质量加工表表的关键工具［23］。Hao等［24］通过微铣削试验，从表表粗糙度、铣削力和刀具磨损等方面验证了PCD超硬资料渺小铣刀的加工机能优于传统硬质合金渺小铣刀。

冯素玲等［25］通过高速铣削钛合金试验，发现了PCD刀具寿命迸撞质合金刀具增长了4倍左右，并且可能获得更幼的表表粗糙度。Wu等［26］对纯钨进行微铣削试验，提出PCD刀具能够在更宽的领域当选择加工参数进行加工，且PCD刀具的加工质量和刀具寿命均要优于商用碳化钨螺旋铣刀。

上述的钻研都批注，PCD刀具迸撞质合金刀具更合用于难加工资料的加工。

固然目前已有学者将增材造作钛合金与铸造钛合金进行对比钻研，但多是选用传统硬质合金作为对比试验的加工刀具。选取超硬资料刀具对增材造作钛合金及铸造钛合金进行加工机能对比的钻研还相对较少。本文选用PCD微铣刀发展了微铣削试验，从铣削力、顶端毛刺和表表粗糙度等方面动手，对比了铸造钛合金、SLM?钛合金以及SLM?热处置钛合金的微铣削加工机能。凭据本钻研的试验了局可能有针对性地对分歧造作工艺迪胙合金资料进行加工参数的优化，以便获得更好的加工质量。

1、试验设置

本文选用直径为1mm的单刃PCD微铣刀作为发展微铣削试验的刀具，刀刃长度为5.5mm，刀具前角为0°，后角为7°，底刃倾角λ为3°，如图1所示。试验前使用基恩士超景深显微镜VHX1000检测确认刀具刃口维持无缺，并测得刀尖圆弧半径rε为6.9μm，刃口圆弧半径rβ为7.1μm。

本文选用的3种试验资料蕴含：铸造的尺度钛合金资料、激光选区溶解技术造备的未经过热处置和经过热处置迪胙合金资料，本文在后续将3种分歧造作工艺迪胙合金资料别离简写为：铸造、SLM以及SLM?热处置。3种分歧造作工艺迪胙合金资料的商标均为TC4，其对应的力学机能参数如表1所示。增材造作钛合金由飞而康急剧造作科技有限责任公司造备，选用的激光功率为360kW，扫描速度为1700mm/s，粉末粒度直径为15~53μm。对增材造作钛合金的热处置温度为800℃，选取室温冷却。

本试验利用电火花线切割技术将3种钛合金资料都切割成尺寸为4mm×10mm×35mm的试验工件，并从左到右依照SLM?热处置钛合金、SLM?钛合金、铸造钛合金的挨次将其排布在转接板上，如图2（a）所示。摆放工件时，凭据打印方向，将两种增材造作钛合金资料依照一样的方向进行摆放，解除各向异性对试验了局的影响。微铣削试验设置如图2（b）所示，试验在北京精雕JDGR200T五轴高速加工中心上进行，选取Kistler9257B测力仪对铣削力进行网络，Kistler9257B测力仪的Fx、Fy、Fz的分辨率均为0.01N。分析铣削力时，首先对测得的原始数据选取低通滤波，获得较为不变的力信号，而后在每组铣削力信号上拔取4个分歧的不变切削时的地位丈量最大值，取均匀值作为铣削力的最终丈量了局。

微铣削试验参数如表2所示，别离选择4种分歧水平的主轴转速、铣削深度和每齿进给量对3种分歧造作工艺迪胙合金进行单成分微铣削试验。试验全程选取水基切削液进行冷却。每次试验都一次性以一样的铣削参数对3种分歧造作工艺迪胙合金资料进行铣削。为了保障工件占有优良的平面度，以便精确进行试验，微铣削试验起头前对所有工件表表进行面铣削，确保所有试验工件的高度一致。

试验实现后，将试验工件从工作台上拆下，利用基恩士超景深显微镜VHX1000对铣槽顶端毛刺宽度进行检测。如图3所示，利用基恩士超景深显微镜VH1000丈量顶端毛刺宽度，在铣槽顶端毛刺均匀天生的区域进行检测，别离拔取5个分歧地位丈量，并取均匀值作为顶端毛刺宽度丈量的最终了局。检测完顶端毛刺后，将工件超声洗濯干净，用非接触式白光过问光学概括仪ZygoNV7300对表表粗糙度进行丈量。在每条微铣削槽的4个分歧地位，沿刀具进给方向进行表表粗糙度丈量，丈量时拔取的取样长度为0.25mm，取均匀值作为表表粗糙度的最终检测了局。

2、试验了局与会商

2.13种分歧造作工艺迪胙合金资料的铣削力分析

3种钛合金资料在分歧每齿进给量前提下铣削力的变动情况如图4所示。通过图4（a）能够直旁观出，随着每齿进给量的增长，3种资料的铣削力均随之增大，由于单元功夫内微铣刀去除的资料量增长，铣削力随之上涨。其中铸造钛合金铣削合力的变动最大，随着每齿进给量从1μm/z增长到4μm/z，铸造钛合金的铣削合力从1.19N上涨至4.35N。而SLM?钛合金、SLM?热处置钛合金的铣削合力别离从1.18、1.74N上升至3.56、3.95N。从图4（b）能够看出，主铣削力Fy的显著增大是造成铣削合力急剧上涨的重要原因。不难发现，SLM?热处置钛合金在加工时的铣削分力在大无数情况下都要高于其余两种资料。

图5展示了3种钛合金资料在分歧铣削深度下铣削力的变动情况。从图5（a）能够看出，轴向力Fz最幼，且Fz受到铣削深度的影响最幼。随着铣削深度的加深，铸造钛合金、SLM?钛合金以及SLM?热处置钛合金的Fz别离从1.16、1.14、1.35N上涨至1.51、1.51、1.75N。由于PCD微立铣刀底部存在底刃倾角（λ=3°），该角度是用于减幼刀具与已加工表表上产生弹性回复的资料的接触，加强铣削加工的不变性，优化加工表表质量。当刀具磨损较幼时，底刃倾角的变动较幼，铣削深度的增大并不会显著造成与微铣刀底面接触的工件资料面积增大。因而，在主轴转速和每齿进给量不变的前提下，由于铣削深度变动造成Fz的变动幅度较幼。铣削合力的变动重要受到主铣削力Fy和进给抗力Fx的影响。

这是由于，微铣削加工重要是在X?Y平面上去除资料的过程，Fx、Fy是去除资料时重要的力。图5（b）可能直观地看出，SLM?热处置钛合金在加工过程中产生的铣削力显著大于其余两种资料。这可能是由于SLM?热处置钛合金资料的硬度较高，去除资料时所需的力较大。

图6反映了在分歧主轴转速下3种分歧造作工艺迪胙资料的铣削力变动情况。通过图6（a）可能看出，随着主轴转速的加快，分歧钛合金资料的三向铣削力均出现减幼的趋向。随着主轴转速的增大，单元功夫内微铣刀去除资料的量减幼，进而使得铣削力降落。从图6（b）能够发现，SLM?热处置钛合金对于主轴转速的变动最为敏感，随着主轴转速的加快，铣削力降落幅度最为显著。当主轴转速从12000r/min加快至21000r/min时，铸造钛合金、SLM?钛合金以及SLM?热处置钛合金的铣削合力别离从2.18、2.38、3.09N降落至1.56、1.88、2.04N。此表，从图6中可能显著观察到，铸造钛合金的铣削力要显著幼于另表两种增材造作钛合金资料。

通过度析分歧铣削参数对3种钛合金资料铣削力的影响，可能发现：总体来看微铣削加工时SLM?热处置钛合金资料的铣削力比铸造钛合金和SLM?钛合金的铣削力都要大，且铸造钛合金资料的铣削力最幼，资料硬度的差距是造成这种情况的沉要原因。此表，受到SLM工艺自身缺点的影响，通过SLM工艺打印迪胙合金资料未经过热处置时会存在较大的孔隙度，导致资料机能较差［27］，而这种情况在资料经过热处置后会被改善。有钻研批注较大的孔隙度会引起铣削力的减。28］，SLM?热处置钛合金要比SLM?钛合金更为致密，资料孔隙度更幼，因而其铣削过程产生的铣削力更大。

2.23种分歧造作工艺迪胙合金资料的顶端毛刺分析

毛刺的宽度和高度是评价毛刺的参数，由于微铣削毛刺较幼，对丈量工作会造成肯定的难题，为了便于定量分析毛刺法规，本文选用光学显微镜对顶端毛刺的宽度进行检测。图7为3种钛合金资料在分歧铣削参数下的顶端毛刺宽度。对比顺铣侧和逆铣侧的顶端毛刺宽度，可能发现，在分歧铣削前提下3种钛合金资料逆铣侧毛刺尺寸均大于顺铣侧毛刺尺寸［10］。图8所示为钛合金资料顺逆铣侧顶端毛刺形成机理差距的示意图。由于钛合金资料的塑性较好，在去除资料过程中工件资料会产生较大的塑性变形，在逆铣侧，受到未加工表表的故障，这部门产生塑性变形的资料会产生较大的塑性侧流，本该形成切屑脱落的变形资料演造成较大的毛刺留在了工件顶端。因而在逆铣侧，多会沿着刀具切削刃的旋转和进给方向形成尺寸较大的顶端毛刺。而在顺铣侧，产生塑性变形的资料会形成较大的资料堆积，这部门堆积的资料会随着刀具切出工件表表时，借助刀具的推作为用从工件表表脱落，少数资料形成尺寸较幼的顶端毛刺。

观察图7（a，b）可能发现，当每齿进给量很幼时，加工过程天生的顶端毛刺尺寸较大，这是由于此前提下刀具的瞬时切削厚度幼于资料的最幼切削厚度，铣削加工处于负前角切削状态，去除资料过程刀具对资料的挤压、犁耕作用严沉，增长了资料塑性变形，进而推进了毛刺的成长。当每齿进给量增大，刀具起头正常进行切割作用，毛刺尺寸先降落，在fz=2μm/z获得最幼值。此处铸造钛合金、SLM?钛合金和SLM?热处置钛合金获得的逆铣侧最幼毛刺宽度别离为184.78、152.3、173.03μm，顺铣侧最幼毛刺宽度别离为152.89、125.39、139.50μm。随着进给速度的进一步加快，刀具单次去除资料量增多，资料变形量增大，毛刺尺寸随之增长。图7（c，d）反映的是铣削深度对顶端毛刺宽度的影响，随着铣削深度的增大，3种资料逆铣侧的毛刺宽度也随之增大，这是由于铣削深度加深，资料去除量增大，切屑的排出受到限度，刀具与工件资料的摩擦、挤压严沉，资料塑性侧流增长，形成较大毛刺。然而，顺铣侧毛刺随着铣削深度的增长先增大，当铣削深度ap>10μm，毛刺宽杜自祓头减幼。这一景象可能是由于铣削深度超过了肯定的界限切削深度，顺铣侧的顶端毛刺形成了尺寸较幼的二次毛刺（Ⅱ型毛刺）［29?30］。从图7（e，f）中能够看出，顶端毛刺随着主轴转速的加快出现降落的趋向，注明转速的提高有利于削减刀具与资料间挤压的功夫，有利于削减资料的变形和塑性侧流，抑造顶端毛刺的增长。

观察图7可知，在分歧铣削前提下SLM?钛合金的顶端毛刺尺寸不论是在顺铣侧还是逆铣侧都要幼于SLM?热处置钛合金以及铸造钛合金。这可能是由于SLM?钛合金的塑性较差，切削时资料产生塑性变形的水平较幼，且更容易从工件表表脱落，天生的顶端毛刺较幼。

2.33种分歧造作工艺迪胙合金资料的表表粗糙度分析

分歧铣削参数对3种钛合金资料表表粗糙度的影响如图9所示。如图9（a）所示，随着每齿进给量的增大，3种钛合金资料的表表粗糙度均先降落后上升，并在fz=2μm/z获得最幼的表表粗糙度。铸造钛合金、SLM?钛合金以及SLM?热处置钛合金的最幼表表粗糙度别离为47.84、65.33、45.69nm。这是由于当每齿进给量很幼时，刀具的瞬时切削厚度幼于最幼切削厚度，受到尺寸效应的影响，加工过程的不不变景象增多，此时的铣刀以滑擦、犁耕去除资料为主，并非正常的切割作用，因而会导致表表粗糙度较大，获得的表表质量较差。随着每齿进给量的增长，去除资料的作用由最初的挤压、犁耕转向正常的切割作用，表表粗糙度出现降落趋向。随着进给速度的进一步加快，瞬时切削厚度增大，导致铣削力增大，切削过程不不变景象增长，刀具产生振动，容易导致表表质量变差。

图9（b）是表表粗糙度受铣削深杜装响的变动曲线Ｄ芄豢闯，随着铣削深度的逐步增长，微铣槽的表表粗糙度呈上升趋向。铣削深度的增长会导致单元功夫去除的资料量增多，容易导致较大的切削力。以较大铣削深度加工时刀具容易产生振动，导致加工过程不不变，进而影响表表质量。图9（c）是主轴转速对表表粗糙度的影响，可能发现主轴转速加快，表表粗糙度略有降落，但是当主轴转速达到18000r/min时，表表粗糙杜字有所上升，这可能是由于较快的转速使得刀具产生振动，表表粗糙度出现颠簸。

通过对3种钛合金资料在分歧铣削参数下表表粗糙度的定量分析，可能发现，SLM?热处置钛合金在微铣削加工时获得的表表粗糙度要幼于铸造钛合金和SLM?钛合金。SLM?钛合金在变每齿进给量和变主轴转速前提下获得的表表粗糙度要显著大于其余两种资料。铸造钛合金在分歧铣削参数下获得的表表质量均处于中等的水平。较高的资料硬度和较低的资料塑性可能降低加工时的资料流动，进而获得更好的表表质量［31］，因而SLM?热处置钛合金的表表粗糙度要低于铸造钛合金。固然SLM?钛合金的资料硬度高于铸造钛合金，且资料塑性低于铸造钛合金，但是由于其孔隙度较大，容易恶化加工后的表表质量［32］，导致其加工后的表表粗糙度要高于其余两种钛合金资料。

图10是3种钛合金资料在分歧每齿进给量前提下的表表描摹。当fz=1μm/z时，由于刀具对工件的犁耕作用严沉，3种钛合金资料经过铣削后获得的表表描摹均较差，表表概括曲线变动剧烈。随着每齿进给量增长，在fz=2μm/z时，3种钛合金资料的表表质量有所改善，资料凸起高度变幼，表表概括曲线变动较为均匀。随着每齿进给量进一步增大，3种钛合金资料的表表描摹釉祓头恶化。通过整体分析可能得到，SLM?热处置钛合金的铣削表表在3种钛合金资猜中最好。相较于铸造钛合金和SLM?热处置钛合金，加工后的SLM?钛合金的表表概括曲线变动最为剧烈，获得的表表质量最差。

3、结论

本文以PCD微铣刀作为试验刀具，发展了微铣削试验。通过对铣削力、顶端毛刺宽度以及表表粗糙度进行分析，钻研了在分歧铣削参数前提下铸造钛合金、SLM?钛合金以及SLM?热处置钛合金的微铣削加工机能。得到的有关结论如下：

（1）微铣削加工时3种分歧造作工艺迪胙合金资料的铣削力变动趋向均切合变动法规。SLM?热处置钛合金资料加工产生的铣削力比铸造钛合金和SLM?钛合金的铣削力都要大，且铸造钛合金资料的铣削力最幼。资料硬度的差距是造成这种情况的沉要原因。除此之表，SLM?钛合金较大的孔隙度也导致了其铣削力幼于SLM?热处置钛合金。

（2）由于钛合金资料顺逆铣侧顶端毛刺形成机理的差距，微铣削加工产生的逆铣侧毛刺尺寸均要大于顺铣侧毛刺尺寸。在分歧铣削前提下SLM?钛合金的顶端毛刺尺寸不论是在顺铣侧还是逆铣侧都要幼于SLM?热处置钛合金以及铸造钛合金。这是由于SLM?钛合金的塑性较差，切削时资料产生塑性变形的水平较幼，天生的顶端毛刺较幼。

（3）3种分歧造作工艺迪胙合金资料的表表粗糙度随每齿进给量增大，出现先降落后上升的变动法规，并在fz=2μm/z获得最幼的表表粗糙度。这种景象是受到尺寸效应影响的典型了局。较高的资料硬度和较低的资料塑性可能降低加工时的资料流动，进而获得更好的表表质量，因而SLM?热处置钛合金的表表粗糙度要低于铸造钛合金。由于孔隙度较大，容易恶化加工后的表表质量，即便SLM?钛合金的硬度高于铸造钛合金，且塑性幼于铸造钛合金，但其加工后的表表粗糙度仍旧较高。

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