3D 프린팅 티타늄 합금 부품과 티타늄 합금 단조품의 밀링 성능 비교 연구

3D 프린팅 티타늄 합금항공우주 분야에서 떠오르는 소재인 티타늄은 절삭 성능 측면에서 항상 큰 주목을 받아왔습니다. 이 논문에서는 3D 프린팅된 티타늄 합금 부품에 대해 직교 밀링 실험을 수행했으며, 그 결과는 다음과 같습니다. 티타늄 합금 단조품. 밀링력, 밀링 온도 및 공구 마모와 관련하여 두 재료의 유사점과 차이점을 분석했습니다.

1. 3D 프린팅된 티타늄 합금 부품과 티타늄 합금 단조품 간의 밀링 가공 성능 비교

3D 프린팅은 디지털 모델 파일을 기반으로 하는 신속한 시제품 제작 기술로 분말 금속 또는 플라스틱 및 기타 접착 재료를 사용하여 레이어 프린팅으로 물체를 구성합니다. 최근 티타늄 합금 3D 프린팅 기술은 빠른 속도, 저렴한 비용, 시제품 제작에 사용되는 재료의 무제한, 다양한 형태의 부품 가공 능력, 높은 유연성과 통합성 등의 장점으로 인해 항공우주 분야에서 빠르게 발전하고 있습니다.
3D 프린팅 티타늄 합금의 이방성으로 인해이 논문은 3D 프린팅 티타늄 합금의 밀링 성능을 다른 방향으로 분석하고 테스트 중 절삭력, 공구 마모 및 기타 데이터를 측정하고 측정 된 값에 따라 가공 매개 변수를 최적화하고 두 티타늄 합금 재료의 절삭 성능 차이를 비교하여 향후 가공 및 생산을 안내합니다.

2. 테스트 조건 및 계획

(1) 테스트 자료

그림 1에서 볼 수 있듯이 테스트 시편은 3D 프린팅된 티타늄 합금 블록으로 만들어졌습니다. 단조 TC4 티타늄 합금 블록 크기는 40mm x 30mm x 20mm입니다. 표 1은 TC4 티타늄 합금 소재의 화학 성분을 보여줍니다.

그림.1 테스트 피스

표.1 TC4 티타늄 합금 소재의 화학적 조성(wt.%)

재질	Ti	Fe		C		N		H
TC4	수당	≤0.30		≤0.10		≤0.05		≤0.015
재질	O		Al		V		기타
TC4	≤0.20		5.5-6.8		3.5-4.5		≤0.4

(2) 테스트 장비

• 1) 가공 공작 기계: 심양 공작 기계 공장에서 생산한 VMC850E 머시닝 센터;
• 2) 가공 도구: 공구 매개 변수가 D8 * 25 * 70 * 4T, 원주 모서리 전면 각도 12 °, 후면 각도 10 ° 및 나선 각도 40 ° 인 PVD 다이아몬드 코팅 경질 합금 엔드 밀링 커터;
• 3) 힘 측정 시스템: KISTLER9272 4방향 압전 힘 측정기, KISTLER5017B 전하 증폭기 및 해당 데이터 수집 및 처리 시스템;
• 4) 기타: 일본 산펑의 SJ201 표면 거칠기 측정기 및 A615 적외선 열화상 카메라.

(3) 직교 테스트 계획
기본 밀링 실험은 3D 프린팅 된 티타늄 합금 재료와 TC4 티타늄 합금 재료에 대해 수행되었으며 가공 매개 변수는 표 2에 표시된 총 18 개 그룹으로 구성되었습니다. 테스트 과정에서 냉각수가 없어 가공 중 온도 측정이 용이하며 역 밀링 가공 방법을 채택했습니다.

표.2 밀링 가공 파라미터

번호	선형 속도 v(m/분)	치아당 공급량 fz(mm/z)	축 방향 절삭 깊이 ap(mm)	이송 속도 f(mm/min)
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. 테스트 결과 및 분석

3.1 밀링력 결과 분석

밀링 힘 F 분석_x 를 그림 2와 같이 꺾은선형 차트 다이어그램으로 표시합니다.

그림.2 밀링 포스 라인

그림.3 5000/s에서의 유량 응력-변형률 곡선
동일한 매개 변수에서 밀링 힘 F_x 단조 TC4 티타늄 합금의 밀도는 3D 프린팅 티타늄 합금의 밀도보다 큽니다. 고속 밀링 중 전자의 밀링 력 감소는 후자의 밀링 력 감소만큼 크지 않습니다. 이는 단조 TC4 티타늄 합금의 강도(경도)가 약간 낮기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 가소성이 매우 좋기 때문에 가공 과정에서 큰 소성 변형, 공구 고착 및 기타 현상이 발생하여 공구 마모가 악화되고 밀링 저항이 증가하여 밀링 력이 커집니다. 3D 프린팅 티타늄 합금은 강도가 높지만 가소성이 낮습니다. 높은 변형률에서는 단열 온도 상승(그림 3 참조)이 발생하여 재료의 온도 상승이 크게 연화되고 밀링 력이 크게 감소합니다.

두 재료의 칩을 비교 및 분석 한 결과 (그림 4 참조) 3D 프린팅 된 티타늄 합금 칩은 컬링 진폭이 더 작고 C 자 모양 인 것으로 나타났습니다. 시트이므로 부러지기 쉽고 칼에 잘 엉키지 않습니다. 또한 칩 파손 시 소성 변형이 상대적으로 작아 열 발생이 적고, TC4 티타늄 합금 칩은 컬링 진폭이 크고 원통형이어서 칼에 엉키거나 달라붙기 쉽습니다. 칩이 파손되면 소성 변형이 커서 더 많은 열과 높은 변형 저항을 생성합니다. 요약하면, 단조 TC4 티타늄 합금은 가공 중에 가소성이 우수하고 밀링 력이 높습니다.

그림.4 동일한 가공 파라미터에서 두 티타늄 합금의 칩 형태

그림.5 두 소재의 밀링력에 대한 가공 파라미터의 영향
밀링 힘 F의 범위 분석_x 은 그림 5에 나와 있습니다. 선형 속도가 3D 프린팅 된 티타늄 합금의 밀링 력에 가장 큰 영향을 미치고 축 방향 절삭 깊이와 마지막으로 톱니 당 이송 속도가 그 뒤를 잇는다는 것을 알 수 있습니다. 선형 속도가 40m / 분에서 80m / 분으로 증가하면 밀링 력 F_x 가 먼저 증가한 다음 감소합니다. 톱니당 이송 속도와 축 방향 절삭 깊이의 증가는 밀링력 F의 증가로 이어집니다._x축 방향 절삭 깊이로 인한 밀링 힘의 증가가 톱니당 이송 속도로 인한 밀링 힘의 증가보다 훨씬 큰 경우; 단조 TC4 티타늄 합금의 경우 선형 속도가 밀링 힘 F에 가장 큰 영향을 미칩니다._x를 입력한 다음 치아당 이송 속도, 마지막으로 축 방향 절삭 깊이를 입력합니다.
3.2 밀링 온도 분석

그림 6은 3D 프린팅 티타늄 합금의 경우 단조 TC4 티타늄 합금보다 가소성이 낮기 때문에 전자의 밀링 온도가 동일한 가공 매개 변수에서 후자의 밀링 온도보다 낮다는 것을 보여줍니다. 낮은 선형 속도에서 밀링 온도는 축 절삭 깊이가 증가함에 따라 어느 정도 감소하며, 이는 TC4 티타늄 합금 단조 추세와 일치합니다. 선형 속도가 점차 증가함에 따라, 특히 선형 속도가 60m / 분으로 증가하면 선형 속도가 크기 때문에 온도가 470 ℃에서 580 ℃로 갑자기 증가합니다. 축 방향 절삭 깊이가 작고 공구와 공작물 표면 사이의 압출 효과가 더 분명하며 칩이 작아 특정 온도 상승으로 이어집니다. 선형 속도가 80m / 분으로 증가함에 따라 밀링 온도의 변화는 더 이상 중요하지 않지만 작은 진폭 진동을 나타냅니다. 이는 3D 프린팅 된 티타늄 합금이 가소성이 좋지 않고 스핀들 속도가 높을수록 재료의 소성 변형을 크게 줄일 수 있기 때문입니다. 스핀들 속도를 다시 높여도 소성 변형은 더 이상 크지 않습니다.

그림.6 두 재료의 밀링 온도
3.3 공구 마모 감지 및 분석

그림 7a에서 TC4 티타늄 합금 단조 공구 마모가 심하게 마모되고 가장자리 붕괴 현상이 매우 분명하며 매트릭스 재료가 심각하게 떨어지고 다량의 티타늄 합금 매트릭스 재료가 공구 가장자리에 결합되어 있음을 알 수 있습니다. 이는 티타늄 합금의 밀링 공정 중에 절삭 영역의 고온과 칩의 높은 변형률로 인해 어느 정도의 재료 연화가 발생하여 공구에 부착될 수 있기 때문입니다. 칩의 축적이 증가함에 따라 공구 모서리의 거칠기가 증가하고 더 이상 날카롭지 않아 절삭 저항이 더욱 증가합니다. 또한 절삭 날 뒤에 절삭 표면에 약간의 균열이 있습니다. 균열이 증가함에 따라 절삭 날 재료가 천천히 떨어지고 공구 기판 재료가 노출됩니다. 후면 절삭 표면에서 코팅이 벗겨지는 현상도 비교적 분명하여 공구 기판 재료와 공작물 재료가 직접 접촉하여 공구 주변 후면 절삭 표면의 연마 마모 및 확산 마모를 가속화하고 공구의 수명을 단축시킵니다. 그림 7b는 밀링 커터 전면의 마모가 비교적 가벼우며 가장자리 근처에만 칩핑과 칩 고착이 있음을 보여줍니다. 연마 마모 현상이 명확하지 않아 역 밀링의 특성에 더 부합합니다.

그림 7 TC4 티타늄 합금 단조용 공구 마모

3D 프린팅 티타늄 합금 가공 도구는 또한 절삭 날에 마이크로 칩핑 및 매트릭스 재료 분리가 있으며 후면 절삭 표면에 명백한 연마 마모 스크래치가 있습니다. 그러나 티타늄 합금 매트릭스 재료의 결합 현상은 절삭 날 이후 절삭 날에서 분명하지 않습니다 (그림 8 참조). 이는 티타늄 합금의 밀링 공정에서 3D 프린팅 된 티타늄 합금 재료의 높은 경도로 인해 가공 공정 중에 심각한 연마 마모가 발생하고 후면 절삭 표면에 매우 명백한 연마 마모 스크래치가 발생하기 때문입니다. 또한 재료의 높은 경도와 취성으로 인해 가공 중에 작은 소성 변형이 발생한 후 매트릭스 재료가 떨어져 재료 제거 과정에서 발생하는 열이 적고 칩에 부착되는 경향이 적습니다. 절단 후 절단 표면의 마모는 단조 TC4 티타늄 합금의 마모와 일치합니다.

그림 8 3D 프린팅 티타늄 합금 가공에서의 공구 마모

단조 TC4 티타늄 합금 가공 도구에 비해 3D 프린팅 티타늄 합금 가공 도구 마모가 적고 주변 모서리의 마이크로 칩핑이 적으며 주변 모서리 후 도구 표면에 칩이 달라 붙는 것이 분명하지 않습니다. 따라서 3D 프린팅 티타늄 합금 재료 가공 도구는 동일한 처리 매개 변수에서 더 긴 수명을 갖습니다.

4. 결론

• (1) 동일한 밀링 파라미터에서 밀링 힘 F_x 단조 TC4 티타늄 합금의 밀도는 3D 프린팅 티타늄 합금의 밀도보다 크며, 고속 밀링 시 전자의 밀링력 감소는 후자의 밀링력 감소만큼 크지 않습니다;
• (2) 동일한 가공 매개 변수에서 3D 프린팅 된 티타늄 합금 재료의 밀링 온도는 티타늄 합금 단조품보다 낮습니다;
• (3) 동일한 처리 매개 변수에서 3D 프린팅 티타늄 합금 재료 처리 도구의 수명이 더 깁니다;
• (4)이 두 티타늄 합금 재료를 가공 할 때 절삭 속도는 약 60m / 분으로 피해야합니다. 조건이 허용되는 경우 낮은 스핀들 속도와 높은 이송 속도를 사용할 수 있습니다.

저자: 왕 레이

출처: 중국 티타늄 합금 단조 제조업체: www.titaniuminfogroup.com