1、引言

3D打印工艺以增材制作的方式实现精密复杂结构的成型[1-2]，，，通过度层切片结合逐层堆积的工艺路线，，，借助软件将零件结构数据数字化，，，并通过数控系统将离散资料逐层堆积固化，，，实现零件结构实体制作的一种成型加工工艺[3-4]。

随着航空航天结构件一体化和轻量化设计需要不休增长[5]，，，急需寻找到可能满足产品指标要求的成型工艺，，，而3D打印增材制作通过实现零件结构内部点阵结构的成型制作获得高比强度、高比刚度、高比模量、低密度，，，显著降低产品重量，，，同时通过拓扑优化设计使得零件内部应力散布均匀[6-7]，，，凭借以上利益在航天有关产品中得到了宽泛的利用[8-9]。钛合金3D打印增材制作导轨（下称“导轨”）由钛合金TC4粉末3D打印成型，，，制作后可得到较好的力学机能，，，并通过蒙皮厚度与点阵结构支持杆径的节制实现了产品轻量化，，，但也存在因增材制作带来的变形及应力残存影清脆续加工过程中的尺寸精度与形位精度节制、较薄蒙皮对加工过程中装夹及铣削力限度，，，同时导轨结构较长造成的加工过程中变形堆集，，，以上成分均会造成加工尺寸精度、形位精度难保障，，，理论粗糙度欠安[10]，，，最终影响产品质量。为保障加工后的产品满足指标要求，，，通
；；剐杈鸵寮庸ば。这使增材制作宽泛利用遇到瓶颈。为了实现拥有特殊状态结构件的成型与利用，，，同时为了保障成型件接口尺寸精度与理论质量，，，增减材复合加工技术应运而生。石文天等[11]针对高精度TC4资料孔加工需要，，，使用先SLM成型，，，后钻削的工艺路线，，，通过节制切屑排出削减积热提升了孔加工精度。张楷越[12]钻研了不锈钢薄壁件DED增材制作参数及加工参数对结构变形、残存应力散布的影响。而导轨作为一种典型的细长梁结构，，，目前较多学者尝试从有限元仿真优化角度启程解决加工中产生的变形问题。通过扭转装夹、切削参数[13-14]等方面节制或赔偿加工过程中产生的变形，，，进而提升加工精度。高速铣削工艺拥有切削力小、加工质量高、刀具寿命长、效能高档利益。庞俊忠等[15]钻研发现高速铣削工艺速度提升时，，，因软化作用有利于得到更优的理论粗糙度值
；；张立峰钻研发现高速铣削工艺通过提升铣削速度降低切削力，，，有效提升理论加工质量[16]
；；杨振朝等[17]、王慧等[18]钻研别离发现高速铣削工艺能够改善加工理论的显微硬度、残存应力散布和理论描摹，，，进而提升产品委顿机能。目前关于高速铣削加工导轨结构钻研仍较少，，，本文使用高速铣削工艺加工导轨结构，，，从铣削速度、铣削深度参数动手，，，通过尝试的方式分析了分歧参数对加工精度及理论粗糙度的影响，，，并得出最优参数组合。

2、尝试规划设计

2.1尝试对象

尝试钻研对象为钛合金粉末3D打印增材制作零件，，，使用激光选区溶解技术（SLM），，，工艺执行过程为在粉末床上铺一层粉并刮平，，，激光依照模型蹊径急剧扫描粉末，，，使粉末溶解烧结在一路，，，随后粉床降落肯定高度再次铺粉，，，反复上述过程形成三维零件实体，，，增材制作选用SLM成型设备型号为BLT-S515-008，，，产品外形如图1所示。

零件包络尺寸为1400mm×64mm×38mm，，，所用钛合金粉末成分见表1，，，其粒度领域满足20μm<D10<30μm，，，30μm<D50<55μm，，，60μm<D90<80μm。

增材制作所选工艺参数见表2，，，增材制作后外部蒙皮厚度最小为0.6mm，，，内部点阵杆径为0.5mm。零件中导轨面特点为图2零件向视图中标注的平面，，，两侧对称，，，总长为1391mm，，，贯通零件全程，，，起到支持机构在其上往复活动的作用，，，因而对两侧面距离64mm、导轨面平面度、导轨面相对于两端平面垂直度、导轨面粗糙度有较高精度指标要求。

2.2尝试规划

尝试加工设备选用FPT六轴五联动方式镗铣加工中心，，，设备参数如表3所示。

尝试加工选用刀具为直径20mm金刚石涂层三刃硬质合金直刃铣刀，，，根部圆角R3，，，外形如图3所示。

为保障增材制作后宽度方向包络尺寸可能覆盖增材制作变形，，，导轨面在宽度方向各设置了4mm加工余量，，，结合余量设计了以下加工工艺规划：：：导轨装夹方式如图4所示，，，使用垫块将导轨底部垫起并垫平，，，使用压块装夹导轨一侧并加工另一侧导轨面，，，加工分为半精加工和精加工，，，半精加工每轮去除1mm加工余量，，，执行三轮，，，精加工每轮去除0.5mm加工余量，，，执行两轮，，，半精加工及精加工后实现增材制作后预留余量齐全去除。每轮加工完一侧导轨重新装夹加工另一侧导轨，，，保障导轨面左右两侧对称去除。在加工过程中，，，选取乳化液对刀具及零件进行冷却，，，降低加工过程中的温度。

本次尝试共加工四件导轨产品的导轨面，，，每件产品别离使用一件新铣刀进行加工，，，别离固定拔取表4中的一种转速进行加工，，，选取单成分尝试法钻研切削深度、进给量和主轴转速对理论质量的影响。为了获得较好的加工理论质量，，，综合思考机床和刀具机能，，，拔取如表4所示的尝试参数。切削速度由公式v=nπD推算，，，公式中，，，n为机床主轴转速，，，D为加工用刀具直径。

2.3精度测试规划

导轨加工实现后，，，使用移动桥式三坐标对零件宽度、导轨面平面度、垂直度进行丈量，，，设备丈量领域为1173mm×1500mm×1000mm，，，设备精度等级为2.2+3L/1000μm，，，丈量时在导轨面上每100mm均匀取点拟合形成平面进行评价。半精加工和精加工后别离使用MarSurfM300C粗糙度仪对导轨面理论粗糙度值进行丈量，，，粗糙度仪丈量精度Ra为0.001μm。

3、尝试了局与会商

3.1形位精度分析

导轨面平面度和相对基准垂直度直接影响机构在导轨上活动阻力及活动不变性。首先对精加工后导轨面平面度及相对于端面（基准面）垂直度进行丈量，，，了局如表5所示。

尝试参数I～IV转速从1500r/min增至4500r/min（图5），，，导轨面平面度逐步从0.28mm降至0.12mm，，，更高的铣削速度有利于得到更优的导轨面平面度。在更高的切削速度下，，，切削力更低，，，薄壁细长梁结构加工过程中应力开释造成的变形更小，，，在一样进给速度和切削深度下得到的平面度更好。

四件导轨端面（基准面）平面度均节制在0.005mm，，，尝试参数I～IV转速从1500r/min增长至4500r/min，，，见图6，，，导轨面垂直度逐步从0.32mm降落至0.11mm，，，更高的切削速度使导轨面相对于基准垂直度显著提升。在更高的切削速度下，，，切削力更低、加工过程中应力开释造成的变形更小、加工得到的导轨面相对于基准垂直方向的变形也更低。

3.2尺寸精度

导轨面宽度影响在导轨面上活动机构活动轨迹的精度，，，对精加工后导轨面宽度尺寸进行100mm/段的分段精测，，，得到导轨面宽度64mm，，，尺寸精度如表6所示。

尝试参数I和II前提下，，，加工得到的导轨面宽度公差带宽度和误差绝对值均比尝试参数III和IV更大，，，在更高的切削速度下，，，加工得到的导轨面宽度的精度更高。切削速度高时，，，切削力低导轨面加工过程中应力开释造成的变形更小，，，加工尺寸更靠近理论值，，，在一样进给速度和切削深度下得到的导轨面宽度尺寸更好。

3.3粗糙度分析

导轨面粗糙度对导轨面后续理论处置质量及寿命有较大影响。3D打印增材制作得到的产品理论粗糙度经样板对比，，，仅能达到12.5μm，，，别离丈量对半精加工、精加工后导轨面的粗糙度值，，，每次三个测点选在导轨面长度四等分点。得到分歧工艺参数下导轨面加工后的粗糙度值如图8所示，，，数据详见表7。

从图8中能够发现随主轴转速增长导轨面粗糙度值降低，，，切削深度大时理论粗糙度值更大，，，且切削深度对粗糙度值影响更显著。其他参数一样时，，，切削深度增大，，，单刃切削过程中去除资料体积更大，，，加工过程中产生振动更大，，，资料脱离基体理论时，，，基体理论更易产生不平坦峰谷，，，导致粗糙度值增大。在尝试参数领域内，，，随主轴转速提升，，，切削速度增大，，，切削动能增长，，，提升了切削能力及不变性，，，易于得到更优的理论粗糙度值。

4、实现语

本文针对钛合金粉末3D打印增材制作得到的导轨面结构的加工精度节制进行了钻研，，，凭据对高速铣削工艺成效的理论分析与试验了局可得到：：：

a.使用金刚石涂层硬质合金高速铣削工艺加工，，，在尝试参数前提下更高的主轴转速加工得到的导轨面平面度、垂直度更好。主轴转速4500r/min时，，，加工得到的导轨面平面度比1500r/min时降低57.1%，，，导轨面垂直度比1500r/min时降低65.6%
；；

b.对比分歧转速加工得到的导轨面宽度指标，，，高转速加工得到的宽度精度领域更小，，，同时相比于理论值的误差绝对值更小，，，主轴转速4500r/min时加工得到的导轨面宽度误差绝对值比1500r/min时降低32.7%
；；

c.对比分歧加工参数下加工得到的导轨面理论粗糙度值，，，更高的主轴转速、更低的铣削深度加工得到的导轨面粗糙度值更优。切削深度0.2mm、主轴转速4500r/min时加工后导轨面理论粗糙度值比1500r/min时降低57.8%，，，主轴转速固按时，，，切削深度0.2mm加工得到的导轨面理论粗糙度值比切削深度0.5mm时降低23%～58.3%。

高速铣削工艺能够实现钛合金粉末3D打印增材制作得到的导轨面结构的加工，，，在尝试参数领域内，，，更高的主轴转速、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优，，，高速铣削工艺效能较高且理论质量优良，，，拥有工程利用价值。

参考文件

[1] Yuan Sujuan, Li Shuxian, Zhu Jun, et al. Additive manufacturing of polymeric composites from material processing to structural design-science direct[J]. Composites Part B: Engineering, 2021, 219: 108903.

[2] Gu Dongdong, Shi Xinyu, Poprawe R, et al. Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing[J]. Science, 2021, 372(6545). 

[3] Tian Xiaoyong, Wu Lingling, Gu Dongdong, et al. Roadmap for additive manufacturing: toward intellectualization and industrialization[J]. Chinese Joumal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(1): 100014. 

[4] Tan Chaolin, Weng Fei, Sui Shang, et al. Progress and perspectives in laser additive manufacturing of key aeroengine materials[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture: Design, Research and Application, 2021(170): 170.

[5] 张卫红，，，周涵，，，李韶英，，，等. 航天高机能薄壁构件的资料-结构一体化设 计综述[J]. 航空学报，，，2023，，，44(9)：：：25-41.

[6] Li Shaoying, Wei Hongkai, Yuan Shangqin, et al. Collaborative optimization design of process parameter and structural topology for laser additive manufacturing[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023. 

[7] Li Shaoying, Yuan Shangqin, Zhu Jihong, et al. Optimal and adaptive lattice design considering process-induced material anisotropy and geometric inaccuracy for additive manufacturing[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2022. 

[8] 刘洋，，，周建平，，，张晓天，，，等. 增材制作技术在载人航天工程中的利用与 瞻望[J]. 北京航空航天大学学报，，，2023，，，49(1)：：：83-91. 

[9] 武瑞刚，，，韩利萍，，，楚蓓蓓，，，等. 3D 打印技术在航天企业的利用[J]. 机械 工程与自动化，，，2020(6)：：：225-226. 

[10] 康兴泰，，，陈洪杰，，，李文锋，，，等. 钛合金增材制作成形误差及累积机制[J].罕见金属，，，2023，，，47(5)：：：701-713. 

[11] 石文天，，，李季杭，，，刘玉德，，，等. 增减材复合加工 TC4 高精度孔试验对 比钻研[J]. 理论技术，，，2022，，，51(11)：：：347-359. 

[12] 张楷越. 316L 不锈钢薄壁件原位增减复合制作工艺钻研[D]. 哈尔滨：：： 哈尔滨理工大学，，，2023. 

[13] 张征，，，许小雷，，，孙鹏程，，，等. 细长梁数控侧铣加工变形的预测、赔偿与 验证[J]. 机床与液压，，，2021，，，49(14)：：：31-35. 

[14] 孙钊，，，白娟娟，，，韩超艳，，，等. 切削参数对微铣削加工温度影响的 ABAQUS 有限元仿真分析[J]. 机械设计与制作工程，，，2019，，，48(5)：：：15-18. 

[15] 庞俊忠，，，牛苜森. 高速铣削 3Cr2Mo 钢时硬度对理论粗糙度的影响法规[J]. 工具技术，，，2021. 

[16] 张立峰，，，王盛，，，王宁，，，等. 激光熔覆 Ti-6Al-4V 高速铣削切削力钻研[J].机械科学与技术，，，2021，，，40(4)：：：562-565. 

[17] 杨振朝，，，杨福杰，，，袁启龙，，，等. 超高强度钢高速铣削理论齐全性尝试研 究[J]. 机械科学与技术，，，2019，，，38(7)：：：1061-1066.

[18] 王慧，，，李南奇，，，赵国超，，，等. 基于航空铸造钛合金 Ti-6Al-4V 高速铣削 参数的理论质量及切削效能优化[J]. 理论技术，，，2022，，，51(2)：：：331-337+346

有关链接