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使用增材制造的刀具加工Ti6Al4V的方法

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使用增材制造的刀具加工Ti6Al4V的方法
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澳大利亚皇家墨尔本理工大学机械与制造工程博士吉米·托顿(Jimmy Toton)进行了一项研究,目的是为了证明增材制造的钢质刀具在加工钛合金(Ti6Al4V)性能方面等于或优于传统制造的高速钢(HSS)刀具。

研究在RMIT大学先进制造研究所进行,这里的主管是Milan Brandt教授,他也是托顿的导师。托顿在这里使用激光金属沉积设备制作3D打印刀具的坯料,其成分为Fe25Co15Mo。然后神盾工具(Sutton Tools)公司将坯料放在CNC工具和刀具磨床上生产立铣刀。

图片由RMIT大学提供

根据美国国家标准协会(American National Standards Institute)的定义,该材料在技术上不是HSS,而是更接近马氏体时效钢的定义。“它是无碳的,并且通过人工时效析出纳米级金属间化合物而得到加强,”Toton在一封电子邮件中说。

神盾工具(Sutton Tools)的技术经理,RMIT大学的高级讲师兼行业研究员Steve Dowey表示,Toton的目标是生产一种红硬性在高速钢和硬质合金之间的基材。
“基材具有热机械性能,使其成为钛加工的合适材料,因为它比所有高速钢种更高的热硬性和红硬性。”Toton补充道。

然而,用这种材料打印并不容易。“创造一个没有任何缺陷的笔直的、长而薄的圆柱体是一个非常有趣的挑战,而Jimmy接受了这个并且花了很长时间来优化沉积条件,”Dowey说。

为了克服他在使沉积的金属层正确印刷并牢固粘合方面所面临的问题,Toton指出他采用高温基板加热来操纵印刷过程中的微观结构的固态转变并防止裂纹形成。

虽然传统的烧结坯料可能密度为98%,但Dowey表示3D打印的坯料完全致密。但是,当萨顿制作这些工具时,这种差异并没有造成任何问题。“用它制作切割工具非常简单,”他说,“我们制作了五种工具,且都遵循传统的磨削方法。”

Dowey补充说,所选择的刀具槽型不是针对钛加工而优化的专门槽型,而是针对多种材料的切削都有效的,从而证明了在这种应用中对HSS的改进。他说,3D打印工具确实显示了刀具寿命的改善,但他强调,零件制造商只有通过提高生产率才能实现显着的成本节约,而不会选择延长刀具寿命。“节省CNC加工时间是至关重要的。”

由于激光金属沉积不能提供足够高的精度来打印复杂的冷却孔,因此Dowey表示,下一个项目将专注于通过粉末床熔融的3D打印工艺来制作带冷却孔的工具坯料。“激光金属沉积(LMD)工艺试验的目的更多的是为了证明材料。粉末床工艺在体积方面更加现实,并且可能提供我们可以经济地销售的工具。目前,LMD工艺并不经济。”

Toton解释说,经济因素在决定最初通过LMD打印空白时发挥了重要作用。使用粉末床熔融工艺,RMIT大学的机器需要足够的粉末来铺满整个机器内,至少30公斤。相反,LMD可以用几百克粉末进行。

“由于我的材料是实验性的,一批产品非常昂贵,”他说。“我的目​​标是开发一种工艺方法,以制造具有正确的微观结构,机械性能和耐磨性的圆柱棒,在加工钛合金Ti6Al4V时,这是一个概念验证。从这个位置来看,你更有可能吸引开发PBF所需的研究资金。“

他说:“由于我的材料是实验性的,一批产品就非常昂贵。”“我的目标是开发一种工艺方法,在加工钛合金Ti6Al4V时,制造出具有正确的微观组织、机械性能和耐磨性的圆棒,现在只是概念验证。”

他的LMD研究已经带来了经济好处。据RMIT大学报道,托顿获得了2019年青年国防创新者奖,奖金为15000澳元(10678美元)。“我目前正在计划一次非常值得的欧洲之旅,”托顿提到奖金时说。

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