Studi komparatif tentang kinerja penggilingan komponen paduan titanium cetak 3D dan tempa paduan titanium

Dicetak 3D paduan titaniumsebagai material yang sedang berkembang di bidang kedirgantaraan, selalu mendapat perhatian besar dalam hal performa pemotongannya. Dalam makalah ini, eksperimen penggilingan ortogonal dilakukan pada komponen paduan titanium yang dicetak 3D dan tempa paduan titanium. Persamaan dan perbedaan antara kedua material terkait gaya milling, temperatur milling, dan keausan pahat dianalisis.

1. Perbandingan kinerja pemrosesan penggilingan antara komponen paduan titanium cetak 3D dan tempa paduan titanium

Pencetakan 3D adalah teknologi pembuatan prototipe cepat berdasarkan file model digital dan menggunakan logam bubuk atau plastik dan bahan perekat lainnya untuk membuat objek dengan pencetakan lapisan. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pencetakan 3D paduan titanium telah berkembang pesat di bidang kedirgantaraan karena kecepatannya yang cepat, biaya rendah, bahan tak terbatas yang digunakan untuk produksi prototipe, kemampuan untuk memproses bagian dalam berbagai bentuk, serta fleksibilitas dan integrasi yang tinggi.
Karena anisotropi paduan titanium pencetakan 3D, makalah ini menganalisis kinerja penggilingan paduan titanium pencetakan 3D ke arah yang berbeda, mengukur gaya pemotongan, keausan pahat, dan data lainnya selama pengujian, dan mengoptimalkan parameter pemrosesan sesuai dengan nilai yang diukur, dan membandingkan perbedaan kinerja pemotongan dua bahan paduan titanium, memandu pemrosesan dan produksi di masa mendatang.

2. Kondisi dan rencana pengujian

(1) Bahan uji

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, spesimen uji terbuat dari blok paduan titanium yang dicetak 3D dan blok paduan titanium TC4 yang ditempa dengan dimensi 40mm x 30mm x 20mm. Tabel 1 menunjukkan komposisi kimiawi bahan paduan titanium TC4.

Gambar.1 Benda uji

Tabel.1 Komposisi kimiawi bahan paduan titanium TC4 (wt.%)

Bahan	Ti	Fe		C		N		H
TC4	tunjangan	≤0.30		≤0.10		≤0.05		≤0.015
Bahan	O		Al		V		Lainnya
TC4	≤0.20		5.5-6.8		3.5-4.5		≤0.4

(2) Peralatan uji

• 1) Memproses alat mesin: Pusat permesinan VMC850E yang diproduksi oleh Pabrik Alat Mesin Shenyang;
• 2) Alat pemrosesan: Pemotong penggilingan ujung paduan keras berlapis berlian PVD, dengan parameter alat D8 * 25 * 70 * 4T, sudut depan tepi melingkar 12 °, sudut belakang 10 °, dan sudut heliks 40 °;
• 3) Sistem pengukuran gaya: Alat ukur gaya piezoelektrik empat arah KISTLER9272, penguat daya KISTLER5017B, dan sistem akuisisi dan pemrosesan data yang sesuai;
• 4) Lainnya: Pengukur kekasaran permukaan SJ201 dan pencitraan termal inframerah A615 dari Sanfeng, Jepang.

(3) Rencana pengujian ortogonal
Eksperimen penggilingan dasar dilakukan pada bahan paduan titanium cetak 3D dan bahan paduan titanium TC4, dengan parameter pemrosesan yang ditunjukkan pada Tabel 2, sebanyak 18 kelompok. Tidak ada pendingin selama proses pengujian, sehingga memudahkan untuk mengukur suhu selama pemrosesan, mengadopsi metode pemrosesan penggilingan terbalik.

Tabel.2 Parameter Pemrosesan Penggilingan

Nomor	kecepatan linier v (m / menit)	Umpan per gigi fz(mm/z)	Kedalaman pemotongan aksial ap(mm)	Kecepatan Umpan f (mm/menit)
1	40,60,80	0.06	1	382,73,64
2	40,0,0	0.06	2	382,73,764
3	40,0,0	0.08	1	509,764,020
4	40,0,0	0.08	2	509,764,020
5	40,0,0	0.1	1	637,55,274
6	40,0,0	0.1	2	637,55,274

3. Hasil pengujian dan analisis

3.1 Analisis hasil gaya penggilingan

Menganalisis gaya penggilingan F_x dari kedua bahan tersebut dengan diagram diagram garis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar.2 Garis Gaya Penggilingan

Gambar.3 Kurva tegangan-regangan aliran pada 5000 / s
Di bawah parameter yang sama, gaya penggilingan F_x dari paduan titanium TC4 yang ditempa lebih besar daripada paduan titanium cetak 3D. Penurunan gaya penggilingan yang pertama selama penggilingan kecepatan tinggi tidak sesignifikan yang kedua. Hal ini karena paduan titanium TC4 yang ditempa memiliki kekuatan (kekerasan) yang sedikit buruk. Namun, plastisitasnya sangat bagus, sehingga akan terjadi deformasi plastis yang besar, tool sticking, dan fenomena lain dalam proses pemrosesan, memperparah keausan pahat dan meningkatkan ketahanan milling, sehingga menghasilkan gaya milling yang lebih besar. Meskipun paduan titanium cetak 3D memiliki kekuatan tinggi, namun plastisitasnya rendah. Di bawah tingkat regangan yang tinggi, ini akan menghasilkan kenaikan suhu adiabatik (lihat Gambar 3), menghasilkan pelunakan yang signifikan dari kenaikan suhu material dan penurunan gaya milling yang signifikan.

Membandingkan dan menganalisis chip dari dua bahan (lihat Gambar 4), ditemukan bahwa chip paduan titanium yang dicetak 3D memiliki amplitudo keriting yang lebih kecil dan berbentuk C lembarsehingga mudah patah dan tidak mudah terjerat pisau. Selain itu, deformasi plastis selama chip pecah relatif kecil, sehingga menghasilkan lebih sedikit panas; Chip paduan titanium TC4 memiliki amplitudo keriting yang besar dan berbentuk silinder, sehingga mudah terbelit dan menempel pada pisau. Saat chip pecah, deformasi plastik menjadi besar, menghasilkan lebih banyak panas dan ketahanan deformasi yang tinggi. Singkatnya, paduan titanium TC4 yang ditempa memiliki plastisitas yang baik dan gaya penggilingan yang tinggi selama pemrosesan.

Gambar.4 Morfologi chip dari dua paduan titanium di bawah parameter pemrosesan yang sama

Gambar.5 Pengaruh parameter pemrosesan terhadap gaya milling dari dua material
Analisis kisaran gaya penggilingan F_x ditunjukkan pada Gambar 5. Dapat ditemukan bahwa kecepatan linier memiliki dampak terbesar pada gaya milling paduan titanium cetak 3D, diikuti oleh kedalaman pemotongan aksial dan, terakhir, laju pemakanan per gigi. Ketika kecepatan linier meningkat dari 40m / menit menjadi 80m / menit, gaya milling F_x mula-mula meningkat dan kemudian menurun. Peningkatan laju pemakanan per gigi dan kedalaman pemotongan aksial akan menyebabkan peningkatan gaya milling F_xdi mana peningkatan gaya milling yang disebabkan oleh kedalaman pemotongan aksial secara signifikan lebih besar daripada peningkatan gaya milling yang disebabkan oleh laju umpan per gigi; Untuk paduan titanium TC4 yang ditempa, kecepatan linier memiliki dampak terbesar pada gaya millingnya F_xdiikuti dengan laju pemakanan per gigi, dan terakhir kedalaman pemotongan aksial.
3.2 Analisis suhu penggilingan

Gambar 6 menunjukkan bahwa untuk paduan titanium cetak 3D, karena plastisitasnya yang lebih rendah daripada paduan titanium TC4 yang ditempa, suhu penggilingan yang pertama lebih rendah daripada yang terakhir dengan parameter pemrosesan yang sama. Pada kecepatan linier yang lebih rendah, suhu penggilingan menurun sampai batas tertentu dengan peningkatan kedalaman pemotongan aksial, yang konsisten dengan tren penempaan paduan titanium TC4. Saat kecepatan linier meningkat secara bertahap, terutama saat kecepatan linier meningkat menjadi 60m / menit, suhu tiba-tiba meningkat dari 470 ℃ menjadi 580 ℃ karena kecepatan liniernya besar. Kedalaman pemotongan aksial kecil, efek ekstrusi antara pahat dan permukaan benda kerja lebih jelas, dan keripiknya kecil, yang menyebabkan kenaikan suhu tertentu. Saat kecepatan linier meningkat menjadi 80m / menit, perubahan suhu milling tidak lagi signifikan tetapi menunjukkan osilasi amplitudo yang kecil. Ini karena paduan titanium cetak 3D memiliki plastisitas yang buruk, dan kecepatan spindel yang lebih tinggi dapat secara signifikan mengurangi deformasi plastis material. Bahkan jika kecepatan spindel ditingkatkan lagi, deformasi plastis tidak lagi signifikan.

Gambar.6 Suhu Penggilingan Dua Bahan
3.3 Deteksi dan analisis keausan alat

Dari Gbr. 7a, dapat ditemukan bahwa keausan pahat untuk penempaan paduan titanium TC4 sangat aus, fenomena keruntuhan tepi sangat jelas, bahan matriks rontok secara serius, dan sejumlah besar bahan matriks paduan titanium terikat ke tepi pahat. Ini karena, selama proses penggilingan paduan titanium, suhu tinggi di area pemotongan dan tingkat regangan yang tinggi dari chip dapat menyebabkan tingkat pelunakan material tertentu, sehingga melekat pada alat. Seiring dengan meningkatnya akumulasi chip, kekasaran ujung pahat meningkat dan tidak lagi tajam, sehingga semakin meningkatkan resistensi pemotongan. Selain itu, terdapat beberapa retakan pada permukaan pemotongan setelah mata potong. Saat retakan meningkat, material mata potong perlahan-lahan jatuh dan memperlihatkan material substrat pahat. Fenomena terkelupasnya lapisan pada permukaan pemotongan belakang juga relatif jelas, menyebabkan kontak langsung antara material substrat pahat dan material benda kerja, mempercepat keausan abrasif dan keausan difusi pada permukaan pemotongan belakang di sekitar pahat, dan mengurangi masa pakai pahat. Gambar 7b menunjukkan bahwa keausan pada permukaan depan milling cutter relatif ringan, dengan hanya terjadi chipping dan chip yang menempel di dekat tepi. Fenomena keausan abrasif tidak terlihat jelas, yang lebih sesuai dengan karakteristik frais balik.

Gbr.7 Keausan alat untuk Penempaan Paduan Titanium TC4

Alat pemesinan paduan titanium pencetakan 3D juga memiliki microchipping dan pelepasan bahan matriks pada ujung tombak, dan ada goresan keausan abrasif yang jelas pada permukaan pemotongan belakang. Namun, fenomena ikatan bahan matriks paduan titanium tidak terlihat jelas pada ujung tombak setelah ujung tombak (lihat Gambar 8). Hal ini disebabkan oleh kekerasan yang tinggi dari bahan paduan titanium cetak 3D selama proses penggilingan paduan titanium, yang mengakibatkan keausan abrasif yang parah selama proses pemesinan dan goresan keausan abrasif yang sangat jelas pada permukaan pemotongan belakang. Selain itu, karena kekerasan dan kerapuhan material yang tinggi, material matriks akan rontok setelah terjadi deformasi plastis kecil selama pemrosesan, sehingga menghasilkan lebih sedikit panas yang dihasilkan selama proses pelepasan material dan lebih sedikit kecenderungan untuk melekat pada chip. Keausan pada permukaan pemotongan setelah pemotongan konsisten dengan keausan pada paduan titanium TC4 yang ditempa.

Gbr.8 Keausan alat dalam Pemrosesan Paduan Titanium Pencetakan 3D

Dibandingkan dengan alat pemrosesan paduan titanium TC4 yang ditempa, keausan alat pemrosesan paduan titanium pencetakan 3D lebih sedikit, microchipping di tepi periferal lebih sedikit, dan chip yang menempel di permukaan alat setelah tepi periferal tidak terlihat jelas. Oleh karena itu, alat pemrosesan bahan paduan titanium pencetakan 3D memiliki umur yang lebih panjang di bawah parameter pemrosesan yang sama.

4. Kesimpulan

• (1) Di bawah parameter penggilingan yang sama, gaya penggilingan F_x dari paduan titanium TC4 yang ditempa lebih besar daripada paduan titanium cetak 3D, dan penurunan gaya penggilingan yang pertama selama penggilingan berkecepatan tinggi tidak sesignifikan yang terakhir;
• (2) Di bawah parameter pemrosesan yang sama, suhu penggilingan bahan paduan titanium cetak 3D lebih rendah daripada suhu tempa paduan titanium;
• (3) Di bawah parameter pemrosesan yang sama, alat pemrosesan bahan paduan titanium pencetakan 3D memiliki masa pakai yang lebih lama;
• (4) Saat memproses kedua bahan paduan titanium ini, kecepatan potong harus dihindari pada sekitar 60m/menit. Kecepatan spindel rendah dan kecepatan pemakanan tinggi dapat digunakan jika kondisinya memungkinkan.

Penulis: Wang Lei

Sumber: Cina Produsen Tempa Paduan Titanium: www.titaniuminfogroup.com