1、引言

3D打印工藝以增材制造的方式實(shí)現(xiàn)精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型[1-2]，通過分層切片結(jié)合逐層堆積的工藝路線，借助軟件將零件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)字化，并通過數(shù)控系統(tǒng)將離散材料逐層堆積固化，完成零件結(jié)構(gòu)實(shí)體制造的一種成型加工工藝[3-4]。

隨著航空航天結(jié)構(gòu)件一體化和輕量化設(shè)計需求不斷增加[5]，急需尋找到能夠滿足產(chǎn)品指標(biāo)要求的成型工藝，而3D打印增材制造通過實(shí)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的成型制造獲得高比強(qiáng)度、高比剛度、高比模量、低密度，明顯降低產(chǎn)品重量，同時通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計使得零件內(nèi)部應(yīng)力分布均勻[6-7]，憑借以上優(yōu)點(diǎn)在航天相關(guān)產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用[8-9]。鈦合金3D打印增材制造導(dǎo)軌（下稱“導(dǎo)軌”）由鈦合金TC4粉末3D打印成型，制造后可得到較好的力學(xué)性能，并通過蒙皮厚度與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支撐桿徑的控制實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化，但也存在因增材制造帶來的變形及應(yīng)力殘余影響后續(xù)加工過程中的尺寸精度與形位精度控制、較薄蒙皮對加工過程中裝夾及銑削力限制，同時導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較長造成的加工過程中變形積累，以上因素均會造成加工尺寸精度、形位精度難保證，表面粗糙度不佳[10]，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。為保證加工后的產(chǎn)品滿足指標(biāo)要求，通常還需犧牲加工效率。這使增材制造廣泛應(yīng)用遇到瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)具有特殊形狀結(jié)構(gòu)件的成型與應(yīng)用，同時為了保證成型件接口尺寸精度與表面質(zhì)量，增減材復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。石文天等[11]針對高精度TC4材料孔加工需求，使用先SLM成型，后鉆削的工藝路線，通過控制切屑排出減少積熱提升了孔加工精度。張楷越[12]研究了不銹鋼薄壁件DED增材制造參數(shù)及加工參數(shù)對結(jié)構(gòu)變形、殘余應(yīng)力分布的影響。而導(dǎo)軌作為一種典型的細(xì)長梁結(jié)構(gòu)，目前較多學(xué)者嘗試從有限元仿真優(yōu)化角度出發(fā)解決加工中產(chǎn)生的變形問題。通過改變裝夾、切削參數(shù)[13-14]等方面控制或補(bǔ)償加工過程中產(chǎn)生的變形，進(jìn)而提升加工精度。高速銑削工藝具有切削力小、加工質(zhì)量高、刀具壽命長、效率高等優(yōu)點(diǎn)。龐俊忠等[15]研究發(fā)現(xiàn)高速銑削工藝速度提升時，因軟化作用有利于得到更優(yōu)的表面粗糙度值；張立峰研究發(fā)現(xiàn)高速銑削工藝通過提升銑削速度降低切削力，有效提升表面加工質(zhì)量[16]；楊振朝等[17]、王慧等[18]研究分別發(fā)現(xiàn)高速銑削工藝可以改善加工表面的顯微硬度、殘余應(yīng)力分布和表面形貌，進(jìn)而提升產(chǎn)品疲勞性能。目前關(guān)于高速銑削加工導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)研究仍較少，本文使用高速銑削工藝加工導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，從銑削速度、銑削深度參數(shù)入手，通過實(shí)驗(yàn)的方式分析了不同參數(shù)對加工精度及表面粗糙度的影響，并得出最優(yōu)參數(shù)組合。

2、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

2.1實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)研究對象為鈦合金粉末3D打印增材制造零件，使用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM），工藝實(shí)施過程為在粉末床上鋪一層粉并刮平，激光按照模型路徑快速掃描粉末，使粉末熔化燒結(jié)在一起，隨后粉床下降一定高度再次鋪粉，重復(fù)上述過程形成三維零件實(shí)體，增材制造選用SLM成型設(shè)備型號為BLT-S515-008，產(chǎn)品外形如圖1所示。

零件包絡(luò)尺寸為1400mm×64mm×38mm，所用鈦合金粉末成分見表1，其粒度范圍滿足20μm<D10<30μm，30μm<D50<55μm，60μm<D90<80μm。

增材制造所選工藝參數(shù)見表2，增材制造后外部蒙皮厚度最小為0.6mm，內(nèi)部點(diǎn)陣桿徑為0.5mm。零件中導(dǎo)軌面特征為圖2零件向視圖中標(biāo)注的平面，兩側(cè)對稱，總長為1391mm，貫穿零件全程，起到支撐機(jī)構(gòu)在其上往復(fù)運(yùn)動的作用，因此對兩側(cè)面距離64mm、導(dǎo)軌面平面度、導(dǎo)軌面相對于兩端平面垂直度、導(dǎo)軌面粗糙度有較高精度指標(biāo)要求。

2.2實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備選用FPT六軸五聯(lián)動方式鏜銑加工中心，設(shè)備參數(shù)如表3所示。

實(shí)驗(yàn)加工選用刀具為直徑20mm金剛石涂層三刃硬質(zhì)合金直刃銑刀，根部圓角R3，外形如圖3所示。

為保證增材制造后寬度方向包絡(luò)尺寸能夠覆蓋增材制造變形，導(dǎo)軌面在寬度方向各設(shè)置了4mm加工余量，結(jié)合余量設(shè)計了以下加工工藝方案：導(dǎo)軌裝夾方式如圖4所示，使用墊塊將導(dǎo)軌底部墊起并墊平，使用壓塊裝夾導(dǎo)軌一側(cè)并加工另一側(cè)導(dǎo)軌面，加工分為半精加工和精加工，半精加工每輪去除1mm加工余量，執(zhí)行三輪，精加工每輪去除0.5mm加工余量，執(zhí)行兩輪，半精加工及精加工后完成增材制造后預(yù)留余量完全去除。每輪加工完一側(cè)導(dǎo)軌重新裝夾加工另一側(cè)導(dǎo)軌，保證導(dǎo)軌面左右兩側(cè)對稱去除。在加工過程中，采用乳化液對刀具及零件進(jìn)行冷卻，降低加工過程中的溫度。

本次實(shí)驗(yàn)共加工四件導(dǎo)軌產(chǎn)品的導(dǎo)軌面，每件產(chǎn)品分別使用一件新銑刀進(jìn)行加工，分別固定選取表4中的一種轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究切削深度、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對表面質(zhì)量的影響。為了獲得較好的加工表面質(zhì)量，綜合考慮機(jī)床和刀具性能，選取如表4所示的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。切削速度由公式v=nπD計算，公式中，n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，D為加工用刀具直徑。

2.3精度測試方案

導(dǎo)軌加工完成后，使用移動橋式三坐標(biāo)對零件寬度、導(dǎo)軌面平面度、垂直度進(jìn)行測量，設(shè)備測量范圍為1173mm×1500mm×1000mm，設(shè)備精度等級為2.2+3L/1000μm，測量時在導(dǎo)軌面上每100mm均勻取點(diǎn)擬合形成平面進(jìn)行評價。半精加工和精加工后分別使用MarSurfM300C粗糙度儀對導(dǎo)軌面表面粗糙度值進(jìn)行測量，粗糙度儀測量精度Ra為0.001μm。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1形位精度分析

導(dǎo)軌面平面度和相對基準(zhǔn)垂直度直接影響機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上運(yùn)動阻力及運(yùn)動穩(wěn)定性。首先對精加工后導(dǎo)軌面平面度及相對于端面（基準(zhǔn)面）垂直度進(jìn)行測量，結(jié)果如表5所示。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)I～I(xiàn)V轉(zhuǎn)速從1500r/min增至4500r/min（圖5），導(dǎo)軌面平面度逐漸從0.28mm降至0.12mm，更高的銑削速度有利于得到更優(yōu)的導(dǎo)軌面平面度。在更高的切削速度下，切削力更低，薄壁細(xì)長梁結(jié)構(gòu)加工過程中應(yīng)力釋放造成的變形更小，在相同進(jìn)給速度和切削深度下得到的平面度更好。

四件導(dǎo)軌端面（基準(zhǔn)面）平面度均控制在0.005mm，實(shí)驗(yàn)參數(shù)I～I(xiàn)V轉(zhuǎn)速從1500r/min增加至4500r/min，見圖6，導(dǎo)軌面垂直度逐漸從0.32mm下降至0.11mm，更高的切削速度使導(dǎo)軌面相對于基準(zhǔn)垂直度顯著提升。在更高的切削速度下，切削力更低、加工過程中應(yīng)力釋放造成的變形更小、加工得到的導(dǎo)軌面相對于基準(zhǔn)垂直方向的變形也更低。

3.2尺寸精度

導(dǎo)軌面寬度影響在導(dǎo)軌面上運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡的精度，對精加工后導(dǎo)軌面寬度尺寸進(jìn)行100mm/段的分段精測，得到導(dǎo)軌面寬度64mm，尺寸精度如表6所示。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)I和II條件下，加工得到的導(dǎo)軌面寬度公差帶寬度和誤差絕對值均比實(shí)驗(yàn)參數(shù)III和IV更大，在更高的切削速度下，加工得到的導(dǎo)軌面寬度的精度更高。切削速度高時，切削力低導(dǎo)軌面加工過程中應(yīng)力釋放造成的變形更小，加工尺寸更接近理論值，在相同進(jìn)給速度和切削深度下得到的導(dǎo)軌面寬度尺寸更好。

3.3粗糙度分析

導(dǎo)軌面粗糙度對導(dǎo)軌面后續(xù)表面處理質(zhì)量及壽命有較大影響。3D打印增材制造得到的產(chǎn)品表面粗糙度經(jīng)樣板對比，僅能達(dá)到12.5μm，分別測量對半精加工、精加工后導(dǎo)軌面的粗糙度值，每次三個測點(diǎn)選在導(dǎo)軌面長度四等分點(diǎn)。得到不同工藝參數(shù)下導(dǎo)軌面加工后的粗糙度值如圖8所示，數(shù)據(jù)詳見表7。

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)隨主軸轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)軌面粗糙度值降低，切削深度大時表面粗糙度值更大，且切削深度對粗糙度值影響更明顯。其他參數(shù)相同時，切削深度增大，單刃切削過程中去除材料體積更大，加工過程中產(chǎn)生振動更大，材料離開基體表面時，基體表面更易產(chǎn)生不平整峰谷，導(dǎo)致粗糙度值增大。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨主軸轉(zhuǎn)速提升，切削速度增大，切削動能增加，提升了切削能力及穩(wěn)定性，易于得到更優(yōu)的表面粗糙度值。

4、結(jié)束語

本文針對鈦合金粉末3D打印增材制造得到的導(dǎo)軌面結(jié)構(gòu)的加工精度控制進(jìn)行了研究，根據(jù)對高速銑削工藝效果的理論分析與試驗(yàn)結(jié)果可得到：

a.使用金剛石涂層硬質(zhì)合金高速銑削工藝加工，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下更高的主軸轉(zhuǎn)速加工得到的導(dǎo)軌面平面度、垂直度更好。主軸轉(zhuǎn)速4500r/min時，加工得到的導(dǎo)軌面平面度比1500r/min時降低57.1%，導(dǎo)軌面垂直度比1500r/min時降低65.6%；

b.對比不同轉(zhuǎn)速加工得到的導(dǎo)軌面寬度指標(biāo)，高轉(zhuǎn)速加工得到的寬度精度范圍更小，同時相比于理論值的誤差絕對值更小，主軸轉(zhuǎn)速4500r/min時加工得到的導(dǎo)軌面寬度誤差絕對值比1500r/min時降低32.7%；

c.對比不同加工參數(shù)下加工得到的導(dǎo)軌面表面粗糙度值，更高的主軸轉(zhuǎn)速、更低的銑削深度加工得到的導(dǎo)軌面粗糙度值更優(yōu)。切削深度0.2mm、主軸轉(zhuǎn)速4500r/min時加工后導(dǎo)軌面表面粗糙度值比1500r/min時降低57.8%，主軸轉(zhuǎn)速固定時，切削深度0.2mm加工得到的導(dǎo)軌面表面粗糙度值比切削深度0.5mm時降低23%～58.3%。

高速銑削工藝可以實(shí)現(xiàn)鈦合金粉末3D打印增材制造得到的導(dǎo)軌面結(jié)構(gòu)的加工，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，更高的主軸轉(zhuǎn)速、更低的切削深度加工得到的形位精度、尺寸精度和粗糙度均更優(yōu)，高速銑削工藝效率較高且表面質(zhì)量良好，具有工程應(yīng)用價值。

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