鈦合金構件激光快速成形技術，以鈦合金粉末為原料，通過激光熔化逐層沉積(“生長制造”)，直接由零件CAD模型一步完成高性能鈦合金構件的“近凈成形”，是一種變革性的短周期、低成本、無模、數字化、先進的制造技術。與整體鍛造等鈦合金傳統(tǒng)制造技術相比，鈦合金構件激光快速成形技術具有組織細小均勻、綜合力學性能優(yōu)異，無需鍛造加工及鍛造模具，材料利用率高、機械加工余量小、數控加工時間短、柔性高效等突出優(yōu)點。通過近10年的攻關，我國已率先實現激光快速成形大型鈦合金主承力構件的裝機應用。
激光快速成形鈦合金零件的表面形貌特征、顯微組織、力學性能以及尺寸余量等與傳統(tǒng)鑄造和鍛造鈦合金存在明顯差異，其機切削工藝也與傳統(tǒng)鍛造鈦合金存在差異。目前尚無有關激光快速成形鈦合金的切削加工工藝的研究報道。本課題分析了激光快速成形TA15鈦合金制件的表面形貌特征和硬度分布均勻性，重點研究了激光快速成形TA15鈦合金構件的銑削、鏜削、鉆孔等切削工藝性能，切削加工刀具材料選擇和銑削工藝參數優(yōu)化。
試驗方法
選擇北京航空航天大學激光快速成形的TA15 鈦合金飛機構件作為典型試驗件。TA15鈦合金飛機構件激光快速成形后按照(750±20)℃/(2～3)h，AC熱處理制度進行去應力退火。采用BX51M 型光學金相顯微鏡(OM)和JSM25800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析激光快速成形TA15鈦合金材料的顯微組織，在MH-6型半自動顯微硬度計上測試了材料的顯微硬度。
在中國航天三院159廠采用XH718/1型三軸立式數控加工中心、意大利JOBS公司J243型五軸數控龍門銑床、德國TCX110型四軸數控鏜銑床和昆明機床廠TK6913A型四軸數控鏜銑床等進行了激光快速成形TA15鈦合金材料的銑削、鏜削和鉆孔等切削加工工藝研究，并選用鍛造TA15 鈦合金材料進行了加工工藝性能對比研究。
激光快速成形TA15鈦合金構件表面形貌特征
TA15鈦合金構件激光快速成形后獲得“近終形”鈦合金零件毛坯，其表面形貌狀態(tài)將影響銑削粗加工刀具材料和銑削參數的選擇。本課題首先分析總結了激光快速成形TA15鈦合金材料的表面形貌特征，為銑削加工工藝優(yōu)化提供指導。
如圖1所示，激光快速成形逐道搭接掃描、逐層熔化沉積的工藝特點和液態(tài)金屬凝固過程中表面張力共同作用下，TA15鈦合金構件激光快速成形后的表面呈現一種規(guī)則的波紋起伏 “魚鱗紋”狀形貌，與鍛件和鑄件較為平整的表面形貌明顯不同。研究同時表明，通過控制激光功率、光束直徑、送粉量和掃描速度等激光成形關鍵工藝參數，可以調節(jié)單層熔化沉積高度和熔池形貌，從而實現對工件表面質量的控制，特別是粉末流的匯聚性和光- 粉的耦合作用效果，對成形工件表面質量的影響十分明顯。當粉末流發(fā)散度較大時，未被捕獲入熔池的粉末較多，在灑落過程中極易被半熔化或燒結粘附于工件側壁表面(經后續(xù)熱處理過程后成為一系列孤立凸起的氧化物硬質顆粒)(圖2)。
圖2 激光快速成形鈦合金零件表面粘結粉末形貌實物照片
激光快速成形鈦合金零件這一特殊的表面形貌特征，對其粗加工有較大影響。對激光快速成形TA15鈦合金飛機構件的粗加工工藝研究表明，當粗加工首次切削深度小于激光成形制件表面粗糙度時，由于刀刃直接接觸波紋起伏層(相對硬的氧化物層)或表面粘結氧化物顆粒，刀具磨損較快，崩刃現象頻繁發(fā)生，加工過程噪聲和振動較大。
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