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增材制造钛合金的可加工性:综述(3)

   2022-06-06 1130

  3.4、AMed钛合金的微加工

  随着精密制造的发展,微机械加工在微型零件的生产中迅速发展。由于易用性、工艺灵活性、低安装成本和无限制的零件材料等优点,微机械加工已成为大规模生产具有复杂三维轮廓零件(如微传感器、生物医学零件、微模具和模具)的最有前景的技术。然而,与传统尺度(毫米级)下的切削过程相比,当加工参数(主要是进给速度)减小到微米级时,一些经常被忽略的因素变得非常重要。

  在传统的宏观加工中,切削刃通常被认为是锋利的,这意味着切削刃的半径远小于进给速度。在微机械加工中,切削深度在1 mm以内,进给速度通常在微米级。在这种情况下,切削刃的半径通常与最小未变形切屑厚度相似,甚至更大(图18)。从正交切削的角度来看,这意味着切屑流的形成是由切削刃的“犁削”(或弹性恢复)而不是切削引起的。微加工中的另一个关键因素是毛刺的形成。毛刺是影响满足所需尺寸公差和几何形状能力的缺陷。在铣削过程中,由于工件材料的“推压”,在切削路径的入口和出口形成毛刺。传统的去毛刺方法不适用于微尺度加工的零件,因为它可能会损坏加工表面以及尺寸精度。因此,为了保证加工表面的质量,限制微加工中毛刺的形成是非常重要的。

图18 不同切削深度下微细铣削中切屑形成的机理:(a)切削深度

  已经开展了多项研究,以研究AMed钛合金的微观切削性能。Le Coz等人研究了SLMed Ti6Al4V在干切削条件下的微车削过程,切削力、硬度和残余应力是分析的主要响应。Bonaiti等人研究了LAD在不同轴向切削深度和进给速度下制造的Ti6Al4V的微铣削。他们提出,硬度是影响微细加工中切削力和毛刺形成的关键因素。具体而言,切削力和毛刺数量从样品A增加到样品C(图19(A)),这与硬度的增加一致。Le Coz等人研究了SLMed Ti6Al4V的微切削过程,并分析了不同切削参数下的切屑形态。如图19(b)所示,切屑的形状从6 m/min的长锥形螺旋切屑变为102 m/min的螺旋状锥形切屑。在500 m/min的较高速度下,切屑为螺旋状带状,但易碎。较低的未切割切屑厚度会形成螺旋状的锥形切屑,较高的进给速度会形成较长的切屑。

图19 (a) AMed Ti6Al4V微铣削中的毛刺形成,(b)不同工件材料微切削中的切屑形态,(c)在不同切削参数下钻削DMLSed工件时的孔质量,(d)通过CT(计算机断层扫描)扫描的螺纹孔形态。

  Rysava等研究了由DMLS通过牙钉的微钻孔和螺纹制造的Ti6Al4V的可加工性。对不同轴向位置的孔径精度进行了分析,发现由于主轴的跳动,孔径随深度的增加略有增大。钻孔和螺纹操作中,不同切削参数下的毛刺大小和形状差异不显著(图19(c)和图19(d))。

  在另一项研究中,Hojati等人系统地研究了锻造和EBMed合金在微铣削中的可加工性。分析了切削过程中的比能和毛刺形成。结果表明,由于尺寸效应,当切屑厚度小于7.4μm时,切削EBMed工件的比能量高出5-15%。加工变形材料时,毛刺形成是连续的,并且具有波形特征。相比之下,由于AMed零件粗糙表面的不规则特性,EBMed零件上形成的毛刺不连续且尺寸较小。此外,尽管硬度较高,但EBMed零件上形成了更多的毛刺。此外,还发现在较低的未切割切屑厚度下会形成更多的毛刺(图20)。这是因为犁削现象显著,导致比能量较大,剪切变形占主导地位,导致形成更宽和更厚的毛刺。

图20 0EBMed Ti6Al4V的比切削能量与毛刺形成之间的相关性。

  3.5、AMed钛合金材料性能的影响

  3.5.1. 孔隙度的影响

  加工后接近完全致密的AMed钛部件表现出优异的机械性能。然而,即使存在最轻微的孔隙,这些零件的机械性能也会显著降低。AMed零件表面的气孔显著影响此类零件的可加工性。Varghese等人报告说,切削力和表面光洁度取决于AMed试样的孔隙度水平。他们发现,平均切削力随着孔隙度的增加而降低,而表面光洁度最初随着孔隙度的增加而恶化,随着孔隙度值的增加而改善,如图21所示。多孔AMed 钛工件的不均匀性导致切削力随着切削深度的增加而增加。他们还发现,与锻造零件相比,多孔AMed Ti6Al4V零件的表面光洁度非常差。

图21 (a)切削力和(b)表面粗糙度随切割深度(DOC)从60 μm增加到100 μm的变化。锻造(WT),全致密(AM0), 30%多孔(AM30), 46%多孔(AM46) AMed Ti6Al4V工件完全致密(AM0)、30%多孔(AM30)和46%多孔(AM46)AMed Ti6Al4V工件。

  加工多孔或孔隙诱导的工件材料的过程可被视为一个中断的切削操作,其中工件的一段是用于连续切削的固体块状材料,工件表面上的孔隙代表刀具脱离切削的区域,如图22(a)所示;从而形成短长度的切屑。当然而,在AMed工件的情况下,在大多数情况下,孔隙率都是微尺度的,可以应用变形诱导切削机制,其中切削刀具刃与表面孔隙附近的工件区域的相互作用可以导致孔隙闭合和机加工表面的表面加工硬化,如图22(b,c)所示。然而,在这两种切割机制中,表面和/或地下孔隙度的存在导致切割力下降。

图22 (a)含有宏观孔隙的工件表面的中断切割机制,以及含有微观孔隙的工件表面的变形诱导切割机制,导致(a)孔隙闭合和(b)加工硬化机加工表面。

  Caustan和Cimino认为,多孔工件造成的中断切削可能会在刀具上产生循环载荷,这种连续的加载和卸载循环可能会导致刀具边缘出现微裂纹。

  3.5.2 各向异性的影响

  AM诱导的材料性能各向异性是分析AMed钛合金可加工性时不可忽视的另一个因素。关于各向异性对AMed零件加工性能影响的文献非常有限。Shunmugavel等人通过正交切削实验,研究了SLM在不同建筑取向下制备的Ti6Al4V的可切削性,得出结论,可切削性受β晶粒取向的影响。

  在与工艺过程中形成的层流和柱状优先β晶粒方向相关的不同方向上移除一毫米厚的表面材料层。在垂直于层流优先β晶粒的X-Y平面(图23(A))中沿Y方向进给(情况1),在Y-Z平面(图23(b))中沿Y方向进给,穿过柱状优先β晶粒(情况2),并在平行于层流优先β晶粒的Y-X平面上沿X方向进给(图23(c))(情况3)。当切削进给方向与层流优先β晶粒垂直时,切削力(主切削力和推力)最大(情况1),而当切削穿过柱状优先β晶粒时,切削力最小(情况2)。至于表面完整性,发现情况1的机加工表面最光滑,而在其他两种情况的机加工表面上发现锯齿状刀具轨迹(图24(a-c))。由于刀具上的BUE,锻造Ti6Al4V的机加工表面最差(图24(d))。

图23 研究了SLMed Ti6Al4V试样的显微组织特征和正交切削策略;(a)案例1:垂直于建筑方向(沿X-Y平面的Y方向),(b)案例2:垂直于建筑方向(沿Z-Y平面的Y方向),(c)案例3:平行于建筑方向(沿X-Y平面的X方向)。

图24 加工表面的光学图像;(a) SLMed Ti6Al4V的情况1、(b)情况2、(c)情况3,以及d)锻造Ti6Al4V样品。

  Lizzul等人研究了AM工艺引起的各向异性对刀具磨损的影响。他们得出结论,α-晶界(αGB)的方向是影响工件可加工性的关键因素。实验通过铣削AMed Ti6Al4V试块进行,该试块在αGB层的四个堆积方向(0°、36°、72°和90°)制备。由于所有切削参数都是恒定的(进给速度:0.02 mm/齿,切削速度:75 m/min,轴向/径向切削深度:0.2 mm/2 mm),因此工件的各向异性被认为是影响刀具磨损发展的唯一因素。结果表明,当αGB层倾角从0°增加到90°时,刀具寿命逐渐降低到40%。在AMed 钛合金的切削过程中,αGB层代表了微观结构中的不连续性和可能产生裂纹的薄弱点。如图25所示,铣刀的旋转边缘以对准角κ切入工件。当层的方向角为0°时,配准角为90°。在这种情况下,切削刃的旋转方向与αGB层平行,这有助于形成切屑,从而去除材料,减少作用在切削刃上的力,提高刀具寿命。相反,当切削90°-αGB层试样时,切削过程穿过αGB层,增加了切削力,导致更严重的刀具磨损。

图25 (a)相对于0°样品先前β晶粒方向的刀具啮合,以及(b)显示αGB层相对于刀具对准角κ的取向角的缩放图片。

  3.5.3 后处理热处理的效果

  一般而言,AMed构件采用后处理热处理,以获得更好的延展性和强度。然而,Littlefair等人报告称,由于SLMed Ti6Al4V的热处理,微观结构发生变化,强度增加,导致刀具在高速切削时出现严重磨损和灾难性刀具失效,如图26(a)所示。此外,由于热处理后工件的延展性增加,钛材料与刀具的附着力显著增加,导致加工表面更粗糙,如图26(b)所示。他们还报告说,切割速度的增加导致加工工件表面下的塑性变形深度增加,如图26(c)所示。

图26 (a)刀具磨损,(b)机加工表面粗糙度,以及(c)不同切削速度下锻造和SLMed Ti6Al4V工件的亚表面塑性变形的变化。

  Ahmadi等人研究了具有不同α和β相组成的热处理Ti6Al4V的微铣削。他们发现,由于工件的硬度更高,刀具边缘的BUE更大,含有两种相的较小晶粒尺寸和β相的较低分数的样品导致更高的切削力。他们还发现,加工工件表面的纹理取决于铣削策略,无论是上铣还是下铣,下铣都会产生更多的压缩次表面变形。应力消除热处理还增加了AM制造组件上的压缩应力,这也解释了与竣工和锻造条件相比,应力消除组件的切削力增加的原因(图27)。

  

图27 锻造(常规)、SLM竣工(SLM-AB)和SLM应力消除(SLM-SR)Ti6Al4V工件的合成切削力随切削长度的变化。

  与锻造工件相比,LAD制造的Ti6Al4V需要更高的切削力进行加工。热处理与加工参数对变形钛合金的影响可导致疲劳寿命方面的裂纹萌生率。了解后热处理工艺对加工过程的影响至关重要,无论是锻造零件还是AMed零件。在某些情况下,热处理不仅可以通过提高延展性、耐磨性、强度来提高AMed 钛合金的机械性能,而且可以降低切削力和延长刀具寿命。然而,每种AM工艺都需要特定的工艺相关热处理,以实现热处理AMed钛合金工件的最佳可加工性。

  3.6、AMed钛合金加工建模

  近年来,许多研究人员成功地证明,金属增材制造工艺已经成熟,可以生产出具有可靠和可重复机械性能的金属零件,适合特定应用。尽管如此,大多数研究从成形过程的角度报告了研究结果,并没有探索后续后处理(如机加工操作)对部件性能的影响。因此,了解加工对AMed 钛工件性能的影响至关重要。最重要的是,需要开发AMed部件后加工操作的数值模型,以便在一定范围内预测零件性能。

  通过比较计算结果和实验结果(图28),发现主切削力、推力和切削温度的误差在1%~10%之间。然而,可以看出,进给速度为0.05 mm/rev时,切削力的误差更大。此外,与预测切削力相比,不同切削参数下的预测温度误差更大(通常超过15%)。这归因于模型参数的优化,因为EBMed Ti6Al4V的材料性能与锻造材料非常不同。类似地,Bordin等人应用相同的模型来模拟EBMed Ti6Al4V的半精车削过程。结果表明,主切削力预测值在可接受范围内(误差7%)。然而,预测的进给力和切削温度值远高于实验数据,如图29所示。

图28 EBMed Ti6Al4V工件正交切削建模中主切削力、推力和温度的验证。

图29 EBMed Ti6Al4V干车削和低温半精车削过程中(a)主切削力、(b)进给力和(c)温度的预测数据与实验数据的比较。

  在切削过程的模拟中,采用了局部重划方法,提高了加工表面应力分布的精度。如图30所示,报告了考虑α片层应变、α片层厚度和α片层纳米硬度变化的切屑形成模拟,这与实验结果非常一致。此外,还发现,由于应变软化,使用低温冷却剂的塑性应变较高;然而,发现低温冷却剂条件下的α-片层厚度小于干切削工艺的厚度,如图31(a,b)所示。纳米硬度受α片层厚度和应变的影响(图31(c,d))。具体而言,当α片层厚度较低时,在低温冷却剂环境下可以看到较高的硬度。在较高的切削速度下,随着α片层应变的增加,亚表层纳米硬度增加。

图30 模拟结果显示了EBMed Ti6Al4V工件干加工过程中预测的(a)α片层应变、(b)α片层厚度和(c)α片层的纳米硬度。

图31 在(c)干燥和(d)低温加工条件下,预测和实验(a)α片层塑性应变、(b)α片层厚度和加工表面纳米硬度之间的比较。

  图32表示由五个覆层组成的薄壁零件的LAD模拟。可以观察到,当初始层被熔覆时,残余应力较大,并且由于后续层的温度分布均匀,新熔覆层下方的热应力减小。熔覆完成后,由于热端效应,残余应力分布变得均匀,但在薄壁的中间部分更高。图33显示了不同加工间隔下的残余应力分布。铣削最底层后,残余应力发生显著变化。研究发现,去除表面材料后,表面的初始拉伸残余应力状态降低,加工后表面变得压缩。模拟结果表明,在机械加工和AM条件下,残余应力平均降低约47%。

图32 打印后,通过激光添加沉积工艺制造薄壁零件时产生的应力场:(a)一层;(b)两层;(c)三层;(d)四层;(e)完整部分

图33 不同后处理加工时间后的应力分布:(a)0 s,(b)0.037 s,(c)0.074 s,(d)0.111 s,(e)0.148 s,和(f)0.185 s。

  4、讨论及未来工作

  本文全面回顾了增材制造的钛合金及其机械加工性能。在用于制造钛组件的各种AM工艺中,确定了五种最广泛使用的MAM工艺,即:SLM、EBM、LAD、WAAM和CSAM。在过去十年中,对AMed 钛加工特性的研究越来越多,已发表的文献研究了与印刷零件材料特性相关的切削性能变化。

  众所周知,钛合金由于其高弹性模量和屈服强度,其机械加工性能较差。在加工钛合金时,切削区内严重的刀具磨损和高温会导致严重的刀具磨损。在加工AMed钛合金时也报告了类似的观察结果。与加工变形钛合金时的冷却和润滑方法类似,冷却液和替代方法(如低温冷却和MQL)被用于降低切削温度和随后的刀具磨损,最终改善了加工工件的表面完整性。

  切削参数的选择是需要进一步研究的另一个方面。切削深度的选择可能会对AMed Ti组件的表面完整性产生重大影响。切削过程中刀具/工件的相互作用会导致加工表面上的残余应力以及次表面变形,而这些不可见的影响直接受到切削参数选择的影响。在AMed Ti部件的微加工中,了解使用常规微加工工艺可以实现的公差和表面粗糙度至关重要。

  最重要的是,孔隙率和各向异性导致材料性能沿不同方向和不同位置发生变化,这是AMed钛合金的一个特征。此外,后处理热处理使AMed钛合金的微观结构和机械特性发生显著变化。在多轴加工中,刀具轨迹的优化应考虑印刷/切削方向,这有助于提高已加工AMed零件的表面光洁度和尺寸精度。

  除了所有这些关于切削参数的研究工作外,对于适合加工AMed零件的刀具及其设计还没有太多的关注。应明确关注刀具刃口的前角、卸压角和间隙角。因此,必须更加重视刀具的研发,以获得更好的AMed零件精加工质量。

  5、结论

  本文对钛合金的切削加工性能进行了综述和讨论。在宏观/微观尺度上切削AMed钛合金时,切削力、温度、表面光洁度、亚表面微观结构、切屑形貌和刀具磨损均较高。还总结了冷却/润滑方法(包括MQL和深冷)对切削响应的影响。讨论了孔隙率、各向异性和热处理后材料性能对AMed钛合金切削性能的影响。还简要讨论了使用建模技术评估AMed Ti工件的可加工性。从最先进的研究中得出的结论总结如下:

  (1)在不同的AM方法中,基于PBF的方法,SLM和EBM由于其设计灵活性,在钛合金零件的制造中占据主导地位。然而,这些AM工艺仅限于其机室尺寸;因此,它们适用于尺寸小、产量低的零件。或者,其他AM工艺(如LAD、WAAM和CSAM)正越来越多地应用于以更快的生产率制造更大尺寸的钛组件。然而,这些工艺生产的零件需要后续的后加工。迄今为止,与锻造工件相比,关于AMed 钛工件可加工性的信息非常少,其中大部分与SLM和EBM打印零件有关,仅限于一种类型的钛合金(Ti6Al4V)。因此,进一步探索AMed钛合金的加工特性还有很大的研究差距。

  (2)与锻造钛合金相比,AMed钛合金的机械性能(包括硬度、屈服强度和极限抗拉强度)更高,这导致更高的切削力和切削温度,增加了AMed钛合金的加工难度。

  (3)在加工AMed 钛零件时,恶劣的切削条件直接导致较高的刀具磨损率,从而进一步影响已加工工件的表面完整性,导致较高的表面粗糙度和高硬度的塑性变形亚表层。

  (4)采用低温冷却和MQL等交替冷却和润滑方法来降低切削温度和随后的刀具磨损,从而最终改善已加工AMed工件的表面完整性。然而,在微加工过程中,由于产生的热量很小,冷却剂的影响很小。

  (5)材料性能的孔隙率和各向异性显著影响AMed 钛组件的可加工性。此外,后处理热处理引起微观结构特征的变化,进一步动态影响加工响应。因此,应进一步研究AMed 钛工件的切削性能与显微组织特征之间的关系。


 
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