1、引言

3D打印工藝以增材制造的方式實現精密復雜結構的成型[1-2]，通過分層切片結合逐層堆積的工藝路線，借助軟件將零件結構數據數字化，并通過數控系統將離散材料逐層堆積固化，完成零件結構實體制造的一種成型加工工藝[3-4]。

隨著航空航天結構件一體化和輕量化設計需求不斷增加[5]，急需尋找到能夠滿足產品指標要求的成型工藝，而3D打印增材制造通過實現零件結構內部點陣結構的成型制造獲得高比強度、高比剛度、高比模量、低密度，明顯降低產品重量，同時通過拓撲優化設計使得零件內部應力分布均勻[6-7]，憑借以上優點在航天相關產品中得到了廣泛的應用[8-9]。鈦合金3D打印增材制造導軌（下稱“導軌”）由鈦合金TC4粉末3D打印成型，制造后可得到較好的力學性能，并通過蒙皮厚度與點陣結構支撐桿徑的控制實現了產品輕量化，但也存在因增材制造帶來的變形及應力殘余影響后續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，同時導軌結構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]，最終影響產品質量。為保證加工后的產品滿足指標要求，通常還需犧牲加工效率。這使增材制造廣泛應用遇到瓶頸。為了實現具有特殊形狀結構件的成型與應用，同時為了保證成型件接口尺寸精度與表面質量，增減材復合加工技術應運而生。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增材制造參數及加工參數對結構變形、殘余應力分布的影響。而導軌作為一種典型的細長梁結構，目前較多學者嘗試從有限元仿真優化角度出發解決加工中產生的變形問題。通過改變裝夾、切削參數[13-14]等方面控制或補償加工過程中產生的變形，進而提升加工精度。高速銑削工藝具有切削力小、加工質量高、刀具壽命長、效率高等優點。龐俊忠等[15]研究發現高速銑削工藝速度提升時，因軟化作用有利于得到更優的表面粗糙度值；張立峰研究發現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量[16]；楊振朝等[17]、王慧等[18]研究分別發現高速銑削工藝可以改善加工表面的顯微硬度、殘余應力分布和表面形貌，進而提升產品疲勞性能。目前關于高速銑削加工導軌結構研究仍較少，本文使用高速銑削工藝加工導軌結構，從銑削速度、銑削深度參數入手，通過實驗的方式分析了不同參數對加工精度及表面粗糙度的影響，并得出最優參數組合。

2、實驗方案設計

2.1實驗對象

實驗研究對象為鈦合金粉末3D打印增材制造零件，使用激光選區熔化技術（SLM），工藝實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，使粉末熔化燒結在一起，隨后粉床下降一定高度再次鋪粉，重復上述過程形成三維零件實體，增材制造選用SLM成型設備型號為BLT-S515-008，產品外形如圖1所示。

零件包絡尺寸為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見表2，增材制造后外部蒙皮厚度最小為0.6mm，內部點陣桿徑為0.5mm。零件中導軌面特征為圖2零件向視圖中標注的平面，兩側對稱，總長為1391mm，貫穿零件全程，起到支撐機構在其上往復運動的作用，因此對兩側面距離64mm、導軌面平面度、導軌面相對于兩端平面垂直度、導軌面粗糙度有較高精度指標要求。

2.2實驗方案

實驗加工設備選用FPT六軸五聯動方式鏜銑加工中心，設備參數如表3所示。

實驗加工選用刀具為直徑20mm金剛石涂層三刃硬質合金直刃銑刀，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尺寸能夠覆蓋增材制造變形，導軌面在寬度方向各設置了4mm加工余量，結合余量設計了以下加工工藝方案：導軌裝夾方式如圖4所示，使用墊塊將導軌底部墊起并墊平，使用壓塊裝夾導軌一側并加工另一側導軌面，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，執行三輪，精加工每輪去除0.5mm加工余量，執行兩輪，半精加工及精加工后完成增材制造后預留余量完全去除。每輪加工完一側導軌重新裝夾加工另一側導軌，保證導軌面左右兩側對稱去除。在加工過程中，采用乳化液對刀具及零件進行冷卻，降低加工過程中的溫度。

本次實驗共加工四件導軌產品的導軌面，每件產品分別使用一件新銑刀進行加工，分別固定選取表4中的一種轉速進行加工，采用單因素實驗法研究切削深度、進給量和主軸轉速對表面質量的影響。為了獲得較好的加工表面質量，綜合考慮機床和刀具性能，選取如表4所示的實驗參數。切削速度由公式v=nπD計算，公式中，n為機床主軸轉速，D為加工用刀具直徑。

2.3精度測試方案

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

3、實驗結果與討論

3.1形位精度分析

導軌面平面度和相對基準垂直度直接影響機構在導軌上運動阻力及運動穩定性。首先對精加工后導軌面平面度及相對于端面（基準面）垂直度進行測量，結果如表5所示。

實驗參數I～IV轉速從1500r/min增至4500r/min（圖5），導軌面平面度逐漸從0.28mm降至0.12mm，更高的銑削速度有利于得到更優的導軌面平面度。在更高的切削速度下，切削力更低，薄壁細長梁結構加工過程中應力釋放造成的變形更小，在相同進給速度和切削深度下得到的平面度更好。

四件導軌端面（基準面）平面度均控制在0.005mm，實驗參數I～IV轉速從1500r/min增加至4500r/min，見圖6，導軌面垂直度逐漸從0.32mm下降至0.11mm，更高的切削速度使導軌面相對于基準垂直度顯著提升。在更高的切削速度下，切削力更低、加工過程中應力釋放造成的變形更小、加工得到的導軌面相對于基準垂直方向的變形也更低。

3.2尺寸精度

導軌面寬度影響在導軌面上運動機構運動軌跡的精度，對精加工后導軌面寬度尺寸進行100mm/段的分段精測，得到導軌面寬度64mm，尺寸精度如表6所示。

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

3.3粗糙度分析

導軌面粗糙度對導軌面后續表面處理質量及壽命有較大影響。3D打印增材制造得到的產品表面粗糙度經樣板對比，僅能達到12.5μm，分別測量對半精加工、精加工后導軌面的粗糙度值，每次三個測點選在導軌面長度四等分點。得到不同工藝參數下導軌面加工后的粗糙度值如圖8所示，數據詳見表7。

從圖8中可以發現隨主軸轉速增加導軌面粗糙度值降低，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，加工過程中產生振動更大，材料離開基體表面時，基體表面更易產生不平整峰谷，導致粗糙度值增大。在實驗參數范圍內，隨主軸轉速提升，切削速度增大，切削動能增加，提升了切削能力及穩定性，易于得到更優的表面粗糙度值。

4、結束語

本文針對鈦合金粉末3D打印增材制造得到的導軌面結構的加工精度控制進行了研究，根據對高速銑削工藝效果的理論分析與試驗結果可得到：

a.使用金剛石涂層硬質合金高速銑削工藝加工，在實驗參數條件下更高的主軸轉速加工得到的導軌面平面度、垂直度更好。主軸轉速4500r/min時，加工得到的導軌面平面度比1500r/min時降低57.1%，導軌面垂直度比1500r/min時降低65.6%；

b.對比不同轉速加工得到的導軌面寬度指標，高轉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，主軸轉速4500r/min時加工得到的導軌面寬度誤差絕對值比1500r/min時降低32.7%；

c.對比不同加工參數下加工得到的導軌面表面粗糙度值，更高的主軸轉速、更低的銑削深度加工得到的導軌面粗糙度值更優。切削深度0.2mm、主軸轉速4500r/min時加工后導軌面表面粗糙度值比1500r/min時降低57.8%，主軸轉速固定時，切削深度0.2mm加工得到的導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現鈦合金粉末3D打印增材制造得到的導軌面結構的加工，在實驗參數范圍內，更高的主軸轉速、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，高速銑削工藝效率較高且表面質量良好，具有工程應用價值。

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