引言

激光增材造作 TC4 钛合金不仅能有效解决精密结构件和沉要零部件的轻量化和高机能要求，并且也提高了出产造作过程的精密化水平。然而，一些精密零部件无法直接在激光增材造作环节获得足够的加工精度及表表质量，必要进一步切削加工，而加工过程中关于铣削温度的钻研对刀具寿命、工件表表质量及加工精度拥有沉要意思。因而，为满足零件的技术要求，针对增材造作迪胙合金铣削个性钻研显得尤为沉要。

目前，国内表学者针对非增材造作钛合金等资料的切削个性钻研较多。邵明辉等 [1] 选取单成分法分析了切削参数对 TC4 钛合金切削温度和切削振动的影响。刘杰等 [2] 通过试验发现，AlCrSiN 涂层硬质合金车刀在切削 Ti-6Al-4V 钛合金时，涂层刀具温度低于未涂层刀具的温度。赵甘霖等 [3] 通过 DEFORM-3D 软件仿真发现，超声振动加工钛合金能够降低均匀切削温度。Kadam B. J. 等 [4] 钻研铣削温杜纂工艺参数之间的关系，为获得最低切削温度，使用 GA 算法对钛合金切削温度的预测模型进行优化。王沁军等 [5] 基于钛合金加工个性进行了单成分试验，在高速铣削前提下针对切削力提出工艺参数的优选步骤。Lee W. J. 等 [6] 钻研切削温度预测模型，发此刻端面铣削钛合金过程中进给量对切削温杜装响最大。董及第等 [7] 通过优化成形工艺参数使 SLM 成形 TC4 钛合金的表表粗糙度达到 5.57~8.05 μm。丁志恒等 [8] 通过仿真软件仿照钛合金车削过程，结合切削热分配的解析法，得出切削热分配系数与切削速度的变动成正比，与切削深度的变动成反比。刘亚军等 [9] 成立钛合金 / CFRP 热传递模型，对螺旋铣孔界面切削温度的变动进行钻研。赵前锋等 [10] 使用有限元软件钻研了 TC4 钛合金切屑形成过程以及切削速杜纂切屑描摹、剪切带之间的关系。

综上所述，国内表学者使用经验公式或切削试验等步骤，针对非增材造作钛合金的切削加工过程进行了一些钻研。而增材造作层状结构所导致的资料力学机能各向异性脊合金低导热性叠加增材组织的非均匀散热个性等问题与非增材造作钛合金有所差距，因而，有必要对增材造作钛合金铣削温度进行钻研和分析。本文选取仿真和切削试验相结合的步骤，对激光增材造作 TC4 钛合金的铣削加工过程的切削温度变动法规进行钻研，为进一步探索其切削加工个性提供肯定的理论基础。

2、激光增材造作 TC4 钛合金铣削仿真

2.1 成立刀具几何模型

硬质合金拥有较高的红硬性，高温下硬质合金刀具能够维持较好的切削能力，可能更好地在干切削前提下达到铣削激光增材造作钛合金的主张，因而选取四刃硬质合金立铣刀对激光增材造作 TC4钛合金进行铣削，刀具的几何参数如表 1 所示。仿真中刀具实体模型通过 UG 软件建模并装配，刀具建模如图1所示。

表 1 刀具几何参数

2.2 铣削仿真模型及规划

工件选取 TC4钛合金粉末作为原资料，通过激光烧结成形技术造备，其物理力学机能［11］如表 2所示。选取Johnson-Cook本构模型［12］对激光增材造作TC4钛合金铣削过程进行仿真分析，表白式为

式中，σ为流动应力
；A为试验资料屈服应力
；B为应变硬化系数
；ε为等效应变
；n为应变硬化指数
；C为应变率敏感系数
；ε为等效应变率
；ε0 为参考应变 率
；T* 为无穷纲温度
；T 为试验温度
；T0为参考温度（室温）
；Tm为试验资料的熔点
；m为温度敏感系数。

表 2 TC4 钛合金的物理力学机能（室温）

在使用 J-C 模型时，应对资料各向同性应变硬化准则作出如果，其重要思考了应力、应变、应变率及温度的耦合关系，并未思考资料的弹性变形。该静态试验在室温下进行，T0 = 30 ℃。针对A，B，C，m和 n，必要进行求解分析，相应本构模型参数［11］如表3所示。

表 3 本构模型参数

选取三成分四水平正交试验对铣削增材造作TC4 钛合金的铣削温度进行分析，拔取铣削宽度（10 mm）为固定值，拔取切削速度、铣削深度和每齿进给量为试验成分，结合现实加工拔取 4 个水平进行铣削仿真和切削试验，正交试验表如表4所示。

表 4 正交试验成分水平

选择DEFORM软件进行铣削加工过程仿真，将工件设为塑性体，划分网格数量为 60 000，并参与网格窗，使工件在窗口内的网格划分更为精密。将铣刀设为刚性体，刀具网格数量划分为 40 000。工件和铣刀的网格划分如图2所示。

图3所示为仿真铣削过程中铣削温度场的散布情况Ｄ芄豢吹，与刀尖接触的切屑根部出现铣削仿真过程的最高温度。随着铣削温度不休升高，与切屑接触的刀具前导也受到铣削温度升高带来的影响，进而引起刀具前导温度升高。此表，铣削过程中刀具使资料产生塑性变形引起剧烈摩擦，切屑产生时，摩擦重要产生在刀尖刃口区以及前导，应变的产生以及应变率的变动会造成该区域在高速铣削下产生剧烈摩擦，产生较高的温度。

2.3 仿真了局及分析

通过铣削过程仿真得到分歧切削用量下的铣削温度变动数据，如表5所示。

表 5 铣削温度仿真了局

表 6 所示为铣削温度仿真的极差分析了局，通过度析极差 R值，得出切削用量对铣削温杜装响水平为切削速度vc > 铣削深度ap > 每齿进给量fz，铣削激光增材造作钛合金的最优参数选择为 vc1ap1fz1，即切削速度vc = 55 m/min，铣削深度ap = 0. 3 mm，每齿进给量fz = 0. 04 mm/z。

表 6 铣削温度极差分析了局

3、铣削激光增材造作 TC4 钛合金试验

3.1 试验前提及规划

试验机床为 VMC850E 加工中心，试验刀具选择与仿真一样的硬质合金四刃立铣刀，其参数如表1所示。试验工件选取SLM激光增材造作（原资料为球形 TC4 钛合金粉末）的 TC4 钛合金。选取 Tix660红表热像仪丈量铣削过程中的刀具及工件温度，该热像仪的量程为40 ℃ ~ 1 200 ℃。铣削试验现场如图4所示。

铣削试验所用的切削用量与铣削仿真一致，通过正交试验法与单成分试验法进行钻研分析，铣削试验正交参数表如表7所示。

表 7 铣削试验正交参数

3.2 试验了局分析

以切削速度55 m/min、铣削深度0. 3 mm和每齿进给量 0.04 mm/z 为仿真最优参数，设计单成分试验规划。通过红表测温仪将试验所采集到的铣削温度导入SmartView软件进行数据分析，如图5和图6所示。去除两组最大值和两组最幼值，求得均匀值作为试验了局，如表8所示。

表 8 铣削温度试验了局

表 9 所示为对试验所得铣削温度进行极差分析的数据表，可得切削速度 55 m/min、铣削深度0. 3 mm、每齿进给量 0. 04 mm/z 为本试验最佳的切削参数组合，与仿真了局一致。

表 9 试验所得铣削温度的极差分析

如图 7 所示，将仿真与试验铣削温度进行对比分析，得出数据的最大误差为 3. 2%，在允许的领域内，证实了仿真数据的靠得住性，注明仿真模型拥有合理性。

4、结论

（1）通过铣削激光增材造作 TC4钛合金的仿真和试验，并对试验了局进行极差分析后，可得切削参数对铣削温度的影响挨次为切削速度 > 铣削深度 > 每齿进给量。

（2）在所钻研的切削参数领域中，铣削温度最幼时的切削参数组合如下：切削速度为 55 m/min、铣削深度为0. 3 mm和每齿进给量为0. 04 mm/z。

（3）对比仿真与试验的铣削温度数据，得出仿真与试验最大相对误差为 3. 2%，证实了仿真数据 的靠得住性，证明仿真模型拥有可行性。

参考文件

[1] 邵明辉，喻秋，李顺才，等. TC4 钛合金高速车削温杜纂车削振动个性的试验钻研 [J]. 现代造作工程，2019 (12)：1-8，36.

[2] 刘杰，朱水生，肖晓兰，等. AlCrSiN 涂层刀具干车削 Ti-6Al-4V 钛合金的切削机能钻研 [J]. 广东工业大学学报，2021，38 (2)：99-106.

[3] 赵甘霖，冯平法，张建富。钛合金超声振动钻削工艺个性仿真及试验钻研 [J]. 北京航空航天大学学报，2019，45 (8)：1597-1605.

[4] Kadam B J，Mahajan K A. Optimization of cutting temperature in machining of titanium alloy using response surface method, genetic algorithm and Taguchi method[J]. Materials Today: Proceedings，2021，47：6285-6290.

[5] 王沁军，孙杰. PCBN 刀具高速铣削 TC4 钛合金切削机能与工艺参数优化钻研 [J]. 机床与液压，2019，47 (7)：57-61.

[6] Lee W J，Park S H，Yoon H S. A coolant supply strategy based on cutting temperature prediction during the 3-axis end-milling of Ti-6Al-4V[J]. Journal of Manufacturing Processes，2022，84：272-281.

[7] 董及第，陈安，李幼飞，等。表表粗糙度对激光选区溶解 TC4 钛合金委顿机能的影响 [J]. 机械强度，2020，42 (5)：1094-1098.

[8] 丁志恒，黄雷，王孝彩，等。面向钛合金切削的硬质合金涂层刀具切削热分配仿真钻研 [J]. 工具技术，2023，57 (7)：77-82.

[9] 刘亚军，李皓，李士鹏，等。钛合金 / CFRP 叠层构建螺旋铣孔界面切削热钻研 [J]. 机械科学与技术，2019，38 (9)：1406-1413.

[10] 赵前锋，姜雪婷，史红艳，等。切削速度对钛合金切屑描摹和剪切带的影响钻研 [J]. 机械设计与造作，2020 (10)：171-175.

[11] 谢中亚。激光增材造作钛合金切削加工机能基础试验钻研 [D]. 上海：上海交通大学，2019.

[12] Johnson G R，Cook W H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures[J]. Engineering Fracture Mechanics，1985，21(1)：31-48.

基金项目：沈阳理工大学国防科技创新团队造就建设打算赞助项目（SYLUGFTD202102）

收稿日期：2024 年 4 月

第一作者：胡锦渊，硕士钻研生，沈阳理工大学机械工程学院，110159 沈阳市

First Author：Hu Jinyuan，Postgraduate，School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China

通讯作者：金成哲，教授，沈阳理工大学机械工程学院，110159 沈阳市

Corresponding Author：Jin Chengzhe，Professor，School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China