激光选区熔化钛合金构件的铣削力分析及参数优化

鲍 骏, 白海清,2*, 安熠蔚, 任 礼, 秦 望

(1.陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000；2.陕西省工业自动化重点实验室， 陕西 汉中 723000)

钛合金材料具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温和生物兼容性好等优点，因此被广泛应用于航空航天领域[1]。目前航空航天零件重点向“结构轻量化”和“结构功能一体化”发展，因而钛合金航空部件结构更加复杂，传统加工难以达到要求。而增材制造技术更适用于制造形状结构复杂的零件[2]。激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)技术是一种根据模型设置采用高能激光束连续选择性熔化金属粉层的先进制造技术[3]，具有加工周期短、材料利用率高、可实现复杂结构制造的优势，是当今应用最广泛的金属增材制造技术[4-5]。但现阶段SLM技术无法直接成形出满足装配和使用要求的零件，通过传统切削加工，可以有效弥补增材制造零件表面质量差，尺寸精度低等缺点，是增材制造领域研究的热点。

如何更好地利用减材切削加工来保障增材制造零件成形表面的质量，满足工业生产应用需要是目前迫切需要解决的问题。因此国内外学者对增材成形零件切削加工方面的研究中，Khorasani等[6]研究利用SLM技术制造的Ti-6Al-4V假肢髋臼壳的内表面铣削加工性，通过仿真和实验分析了铣刀和工件变形的问题；Mughal M P[7]、Gong Y D 等[8-9]指出增材成形工件的减材加工有利于减少工件残余应力，提高微观组织的均匀性，表面精度与工件的力学性能。Zhao Yan-hua等[10]采用铣削力的时域、频域信号与加工振动信号分析法研究激光选区熔化构件的铣削特性，分析了切削参数和显微硬度变化对切屑形貌的影响。陈曦等[11]将铣削路径与激光扫描路径夹角也作为影响对表面粗糙度的因素，通过试验建立了表面粗糙度预测模型，最后利用粒子群算法进行参数优化。侯阳琨等[12]研究了切削速度、每齿进给速度、轴向切深及径向切深与表面粗糙度的量化关系，建立以加工效率和表面粗糙度为优化目标的多目标切削参数优化模型。相关文献对增材成形零件的铣削加工具有指导意义，但针对其铣削力方面的研究还不够深入。然而，航空小型结构件受铣削力的影响变化尤为显著，铣削力的大小直接影响切削热和加工变形，更是影响小型结构件加工精度的重要因素之一[13]，故探究增材成形件在铣削过程中铣削力的变化规律具有较为重要的意义。

本文的研究以TC4钛合金粉末为原料，利用SLM技术制备增材成形构件，设计正交铣削试验方案，并与TC4钛合金锻件进行对比，通过极差分析法、灰色关联度分析法和优势分析法重点探究TC4钛合金增材成形件和其锻件的切削性能差异，以及各铣削因素对铣削力的影响规律，从而得出最佳铣削参数组合，为后续TC4钛合金增材成形件的铣削工艺研究提供参考。

1 铣削试验

1.1 试验材料制备

图1 TC4钛合金增材成形件

使用江苏永年激光成形技术有限公司生产制造的SLM设备(型号YLMs-300)，熔覆参数为扫描速度1000 mm/s、激光功率205 W、扫描间距0.05 mm，层厚H=0.03 mm，基板预热温度为80 ℃，送粉系数为3，条形填充扫描方式制备得到TC4钛合金增材成形件，尺寸为30 mm×20 mm×10 mm，见图1。制备过程在密闭环境内进行，全程不间断通入纯度99.99%的工业氩气作为保护气体，氧含量控制在600 ppm以下。使用高精度密度计测得其密度为4.313 2 g/cm3(标准件密度4.51 g/cm3)。为了更为直观的分析TC4钛合金SLM增材成形件的铣削力结果，加入TC4钛合金锻件作为参照试验组。

1.2 铣削力测量系统构建

铣削试验设备选用数控立式铣床，型号为汉川机床公司生产的XK950型。刀具选用整体式硬质合金立铣刀，所属系列为DG-ATD03，由上海工具厂生产，参数如表1所示。使用瑞士Kistler公司生产的9257B型测力仪(包括三向动态压电式测力仪、电荷放大器及数据转换采集器等部件组成)对铣削试验过程中的铣削力进行测量，铣削力测量系统如图2所示。

表1 铣刀参数

图2 铣削力测量系统

1.3 铣削试验方案

为分析铣削参数即铣削深度、铣削宽度、主轴转速与进给速度对TC4钛合金增材成形件与TC4钛合金锻件铣削力的影响规律与差异，设计四因素三水平正交试验方案，因素水平表如表2所示。A、B、C、D分别代表铣削深度、铣削宽度、主轴转速、进给速度。铣削方式采用逆铣。通过仪器测量得到TC4钛合金SLM增材成形件与锻件铣削力在X(进给方向),Y(径向方向),Z(轴向方向)的实时曲线图，在曲线图的平稳阶段提取数据进行处理后作为实验组三个方向的铣削力，求得铣削合力结果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 铣削力结果

2 铣削试验结果分析

2.1 极差分析

采用极差分析法可以得到试验因素在不同水平下对试验结果的影响程度。根据表3所得铣削力数据结果，计算各因素的各水平所对应的试验指标和的平均值，其计算公式为

(1)

表4 铣削力极差分析

图3 铣削深度-铣削力关系图 图4 铣削宽度-铣削力关系图

图5 主轴转速-铣削力关系图 图6 进给速度-铣削力关系图

由图3可知，随着铣削深度的增加，两试件的铣削力整体呈上升趋势。这是因为铣削深度的增加，使得切削层横截面增大，材料去除所需要的能量增大。两试件铣削力在[1 mm,2 mm] 区间涨幅均大于[2 mm,3 mm] 区间，这主要是因为钛及钛合金在高温时化学活性很高，在切削热的影响下，能与空气中的氢(水汽)、氧与氮等元素产生化学反应从而生成表面脆硬层，钛合金内部的硬度低于表面脆硬层的硬度[14]，当铣削深度值适当增大时，可以在一定程度上使得刀具在切削过程中避开表面脆硬层。TC4钛合金增材成形铣削力数值在[2 mm,3 mm]区间内小于锻件铣削力数值，这是因为SLM增材成形件致密程度与韧性小于锻件，更易发生脆性断裂，材料较易进行切除。

由图4可知，随着铣削宽度的增加，两试件铣削整体呈上升趋势。这是因为铣削宽度的增加使得刀具和工件的接触面积增大，单位时间内切削量增大，摩擦力增大。两试件铣削力在[1 mm,2 mm]区间涨幅均大于[2 mm,3 mm]区间，这是因为摩擦力增大一定程度上导致铣削温度上升，钛合金出现了高温软化现象，所去除材料需要的能量减少。TC4钛合金锻件铣削力数值整体上大于TC4钛合金增材成形件。同样是因为增材成形件的致密度与韧性不足，材料易切除。TC4钛合金增材成形件铣削力数值在[1 mm,3 mm]区间内整体上小于TC4钛合金锻件，材料更易进行切除。

由图5可知，随着主轴转速的增大，两试件铣削力整体趋势呈下降状态。该原因主要是由于主轴转速的上升导致了铣削速度的增加，刀具在单位时间内切入切出的量增加，切屑的产生量增大，在该情况下切削力会在一定程度上增大。但部分碎屑由于钛合金材料本身的粘附特性而附着在刀具上，影响了排屑的流畅性，使得摩擦力增大，同样导致切削区域温度迅速上升，钛合金高温软化现象明显，这时去除材料所需要的能量减少，故其铣削力不升反降。但铣削力的上升速率与材料的高温软化速率并不相等，随着转速的继续增加，刀具单位时间内切入切出量增大，铣削力上升速率增加，软化现象的影响相对减弱，在二者的共同影响作用下，会出现铣削力在[2400 r/min,3200 r/min] 区间下降幅度明显减缓(相对于[1600 r/min,2400 r/min]区间)这一现象。TC4钛合金锻件在[2400 r/min,3200 r/min]区间内温度在材料的扩散所造成的软化影响和铣削速率影响达到了一个近似平衡的状态，故其铣削力数值变化不明显，而TC4钛合金增材成形件受该二者影响的程度与锻件不同。在[1600 r/min,2400 r/min]内TC4钛合金增材成形件铣削力数值整体大于TC4钛合金锻件，材料相比锻件不易进行切除。

由图6可知，随着进给速度的增加，两试件铣削力呈上升趋势，这是因为随着进给速度的增大，单位时间内材料去除率增大，刀具切除材料所做的功增大。TC4钛合金增材成形件在[120,170] mm/min铣削力数值变化不明显，且小于锻件铣削力。这主要是因为通过SLM技术工艺成形的塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力较差，易发生脆性断裂，且随着进给速度的上升，水平加工面内刀具切削过程中第一变形区(剪切滑移)面积增大，TC4型钛合金材料本身受剪切变形的影响大于压缩变形，故在该区间内TC4钛合金增材成形件相对较易进行切除，数值变化不如TC4钛合金锻件明显。

2.2 灰色关联度分析

关联度是事物之间、因素之间关联性的“量度”，灰色关联度分析法在自变量与因变量之间定义了一种关联系数，该系数值越大，说明自变量与因变量之间的关联程度越大，从而为因素分析、预测的精度分析提供依据,为决策提供基础,为主要因素的判断提出方法途径，该方法可以对单个或多个试验指标进行分析优化。其步骤如下。

(1) 建立系数矩阵，设n个数据列形成如下矩阵：

其中Xi′=[xi′(1),xi′(2),…,xi′(m) ]T,i=1,2,…,n。m为各试验组数据的个数，n为试验组的组数。本次试验m=5，n=9。

(2) 由于本次试验中主轴转速与其余参数水平数量级相差过大，需要先对其数据进行无量纲化处理，采用初始值法，计算公式为

(2)

无量纲化后数据列形成如下矩阵,其中Xj=[x1(j),x2(j),…,xn(j)],j=1,2,…,m,

(3) 确定参考数据行记为X0=[x1(k),x2(k),…,xn(k)]，逐个计算每行与参考行差值的绝对值即|X0-Xi|(i=1,2,…,n)，所得结果组成的矩阵如下:

本次试验中选取铣削力数值对应行作为参考行,并确矩阵中的最大值与最小值，即max|xi(k)-xi(m)|与min|xi(k)-xi(m)|。

(4) 计算关联系数，公式为

(3)

其中i=1,2,…,9,ρ为分辨系数，在(0,1)内取值，通常ρ取0.5。

通过计算得到各组试验的关联系数ξi值如表5所示。根据表5的计算结果将TC4钛合金增材成形件与锻件在各自铣削参数对应水平下的关联度值取平均，结果如表6所示。

表5 各组试验关联系数

表6 各因素对应水平下关联度均值

分析表6可知，两试件均在对应A1、B1、C3、D1水平上的关联度值最大，即各因素在其所对应水平上与铣削力结果的关联度最高，亦为最优水平。铣削深度的选优顺序为A1→A2→A3，铣削宽度的选优顺序为B1→B2→B3，主轴转速的选优顺序为C3→C2→C1，进给速度的选优水平为D1→D2→D3，最优水平均为A1、B1、C3、D1，所得分析结果与极差分析一致。

2.3 优势分析

使用优势分析法，分析不同铣削参数对铣削力影响的相对重要性。根据优势分析理论和方法[15]，当变量为λ个时，需要考察2λ-1种条件下变量对结果的影响，将每种情况下的参与变量与结果做回归分析，通过回归过程中产生的方差R2以及方差的变化量即增值方差ΔR2，可计算得到各变量对试验结果的贡献率，比较其贡献率的大小即可得到各变量的在试验中对结果的相对重要性，贡献率越大说明变量对结果的影响程度越大，具体计算步骤如下。

(1)本次试验变量个数λ=4，故需要考察15种条件情况，分别为：A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、BD、CD、ABC、ABD、ACD、BCD、ABCD。例如:A表示只有铣削深度作用时的情况，AB表示铣削深度与铣削宽度共同作用时的情况，其余同理。建立四变量优势分析模型如表7所示，其中k表示除自身变量作用外其余变量的个数。

表7 四变量优势分析模型

续表

(2) 采用AZEN等[16]提出的无模型依赖方差的相关分析方法，使用SPSS软件中的线性双变量功能，基于表3的数据结果，计算得到了TC4增材成形件与锻件的铣削力(F)与4个铣削参数的相关矩阵系数如表8所示，进一步根据相关矩阵系数计算得出各条件下的方差R2，如表9所示。

表8 相关矩阵系数

表9 各种条件下对应的方差

(3) 通过方差R2与增值方差ΔR2之间的相互关系计算ΔR2，关系式如式(4)所示:

(4)

(4) 计算各变量的平均贡献值贡献σk以及总贡平均贡献值σ，公式如式(5)、(6)所示:

(5)

σ

(6)

表10 铣削参数四因素的相对贡献率

根据表10中各铣削参数对TC4钛合金增材成形铣削力贡献率最大的为铣削深度，贡献率为65.582 2%，其次为铣削宽度，贡献率为30.875 1%，主轴转速与进给速度对铣削力的贡献率相同，仅有1.636 4%。由于主轴转速与进给速度对增材成形件铣削力的贡献率较小，因此在加工过程中，结合极差分析与灰色关联度分析所得结果，可在较好水平的选择上结合实际加工情况适当放宽其参数的选择范围，而铣削深度与铣削宽度对增材成形件铣削力的贡献率较大，需在较好水平的选择上择优选取。各因素对铣削力影响的次序为：铣削深度>铣削宽度>主轴转速=进给速度，故本次试验所得TC4钛合金增材成形件最优参数组合为A1B1C3D1或A1B1D1C3。各铣削参数对TC4钛合金锻件铣削力贡献率最大的为铣削深度，贡献率为77.210 9%，其次为铣削宽度，贡献率为21.179 2%，主轴转速与进给速度的贡献率分别为0.043 5%与1.563 5%。结合极差分析与灰色关联度分析所得结果，主轴转速与进给速度的功贡献率远小于铣削深度与铣削宽度，故可在较好水平的选择上根据实际加工情况选取，铣削深度与铣削宽度需择优选取。铣削参数对于TC4钛合金锻件铣削力影响的次序为：铣削深度>铣削宽度>进给速度>主轴转速，其最优参数组合为A1B1D1C3。

对比各铣削参数对两试件贡献率数值，铣削深度对TC4钛合金增材成形件铣削力的贡献率小于锻件，即铣削深度改变时，增材成形件铣削力的变化程度要小于锻件；铣削宽度对TC4钛合金增材成形件铣削力的贡献率大于锻件，即铣削宽度改变时，增材成形铣削力的变化程度要大于锻件。由于主轴转速与进给速度对两试件铣削力的贡献率都很小，故不作比较。

3 结论

通过对本次试验总结得出以下结论：

(1) 由极差分析可得，TC4钛合金增材成形件铣削力受铣削参数的影响规律与TC4钛合金锻件基本一致，两试件铣削力与铣削深度，铣削宽度，进给速度呈正相关趋势，与主轴转速呈负相关趋势；在其余铣削参数不变，铣削深度为 2～3 mm时，加工过程中增材成形件比锻件容易切除；在其余铣削参数不变，铣削宽度为 1～3 mm时，加工过程中增材成形件比锻件容易切除；在其余铣削参数不变，主轴转速为 1600～3200 r/min时，加工过程中增材成形比锻件难以切除；在其余铣削参数不变，进给速度为 120～170 mm/min时，增材成形件比锻件容易切除。

(2) 通过极差分析和灰色关联度分析可得出：TC4钛合金增材成形件与TC4钛合金锻件最优水平参数基本一致，均为A1、B1、C3、D1，即铣削深度 1 mm，铣削宽度 1 mm，主轴转速 3200 r/min，进给速度 70 mm/min。

(3) 根据优势分析可知，TC4钛合金增材成形的铣削力受铣削深度的影响程度小于锻件，受铣削宽度的影响程度大于锻件。两试件铣削力受主轴转速与进给速度的影响程度都很小，可忽略不计。铣削参数对TC4钛合金增材成形件的铣削力影响主次顺序为：铣削深度>铣削宽度>主轴转速=进给速度，最优参数组合为A1B1C3D1；对TC4钛合金锻件铣削力影响的主次顺序为：铣削深度>铣削宽度>进给速度>主轴转速，最优参数组合为A1B1D1C3。