增材制造金属零件抛光加工技术研究进展

金属增材制造在航空航天、医用植入等领域有良好的应用前景,但成型表面质量差,未经后处理加工无法满足高使役性要求,抛光加工是高性能金属增材制造技术链中的关键环节。概述了增材制造金属零件应用现状和生长过程固有的阶梯效应、球化效应、粉末粘附等特性,以及成型表面高粗糙度等形貌特征。在此基础上,重点综述了增材制造金属零件抛光加工中应用较广的电化学、激光、磨料流三种抛光技术的研究进展,以不同制造工艺、不同金属粉末材质、不同结构形式(多孔结构、高长径比流道等)的增材制造样件为主线,通过表面粗糙度、材料去除、表层残余应力、廓形精度保持性等技术指标,对增材制造金属零件抛光加工研究成果进行了归纳总结。最后展望了增材制造金属零件抛光技术的发展方向。     

金刚石磨粒工具增材制造技术现状及展望

金刚石磨粒工具是工程陶瓷、玻璃、半导体等硬脆材料高效精密加工的重要手段。日益提升的零件制造质量、成型要求和加工效率给金刚石磨粒工具带来了巨大挑战,工具结构改进已成为应对这一挑战的关键,但却给工具制造带来了难题。近年来,增材制造技术因其优异的复杂结构成型能力而备受关注。采用增材制造技术进行金刚石磨粒工具制备也已被业界视为解决复杂结构磨具高效成型的潜在手段并成为研究热点。立足于目前已有的相关研究报道,以光固化成型技术（SLA）、选择性激光烧结技术（SLS）、激光选区熔化技术（SLM）为主,总结现有增材制造技术在金刚石磨粒工具制备方面的研究进展,分析其在制造工艺上的不同特点,并对未来利用该类技术制备金刚石磨粒工具进行展望与建议。     

选择性激光熔化成形(SLM)增材制造重熔次数对316L构件表面粗糙度及磨损性能的影响

重熔次数对选择性激光熔化增材制造构件表面粗糙度及耐磨性能有重要影响,研究其影响机理及确定经济重熔次数对发展选择性激光熔化增材制造技术具有重要意义。采用选择性激光熔化增材制造设备制备 316L 样件,在样件制备过程中分组进行 0、1、2、3 次激光重熔,对不同激光重熔次数下的样件表面利用三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜等进行表征,利用高速往复摩擦磨损试验机对样件进行摩擦磨损试验,利用电子分析天平测定磨损前后的质量,对表征及磨损性能进行分析。 结果表明：SLM 增材制造样件表面粗糙度随重熔次数的增加而逐渐减小,重熔后的平均表面粗糙度 Sa、Sq、Sv、Sz 值分别从 0 次重熔（正常打印）的 8.437、11.88、82.68、252.2 μm 降低到三次重熔的 6.18、7.735、37.597、104.36 μm,分别降低 26.75%、34.89%、54.53%、58.62%;随重熔次数的增加,平均摩擦因数逐渐增大,质量磨损量逐步减小;2、3 次重熔样件在磨损试验的后半段瞬时最大摩擦因数出现了大于 1 的情况,这是由于在明显滑动之前出现“接点增长”,接点面积不断增大,致使摩擦力超过正压力。表面粗糙度及摩损性能出现上述变化的原因是,每次重熔会使表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷,直至消失,相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制,孔隙和球化等缺陷逐渐被修复,表面变得更加平整。 研究发现不同重熔次数对表面粗糙度和磨损改变的程度不同;定义了经济重熔次数概念,1、2、3 次重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率分别为ζ ₁ =26.61%、ζ ₂ =43.60%、ζ ₃ =23.68%,确定了经济重熔次数为 2;根据研究成果,给出经济重熔次数在矿山机械上的应用实例。提出经济重熔次数概念,并给出经济重熔次数的应用实例,可为提高增材制造构件表面质量和耐磨性能提供新思路。     

仿形组合磁极研磨增材制造复杂表面工艺研究

目的 改善零件表面质量,延长零部件使用寿命。方法 应用Ansys Maxwell模拟仿真沿盘形磁极圆周开不同形状槽时磁极磁感应强度的分布。以钛合金(Ti6Al4V)材料增材制造的成形零件为例,基于磁粒研磨抛光技术,利用仿形组合开槽磁极对成形零件沟槽表面进行研磨抛光。结果 模拟结果表明,沿磁极圆周开均布矩形槽时,磁极的磁感应强度波峰值最大,波谷值最小,磁场强度梯度变化最大,最适合复杂工件表面的磁粒研磨。磁性磨粒粒径、磁极转速和研磨间隙等参数的设置都会影响研磨加工效果,经模拟和实验获得最佳工艺参数为磁性磨粒粒径180 μm、磁极转速1 000 r/min、研磨间隙2 mm。设置如上所述的加工工艺参数,成形零件沟槽表面粗糙度Ra由原始的10.70 μm降为0.52 μm,且其表面缺陷得到有效去除。结论 采用仿形组合开槽磁极应用磁粒研磨技术能够实现增材制造复杂零件表面的研磨抛光。     

叶轮零件磨粒流抛光机理与数值模拟的研究

目的 解决增材制造TC4钛合金（Ti6Al4V）叶轮零件表面粗糙度过大的问题。方法 采用磨粒流抛光技术对增材制造TC4钛合金叶轮零件进行抛光,研究磨粒粒径、工作压力与抛光时间等因素对叶轮零件表面粗糙度和形貌的影响规律。同时利用Fluent软件对磨粒流抛光过程进行仿真,建立三维叶轮模型,以实际加工条件为仿真参数,探究磨粒对近壁面静压、动压、湍动能、湍流强度的作用机理。结果 当磨粒流抛光的磨粒粒径为0.425 mm、加工压力为9 MPa、抛光时间为20 min时,获得了表面粗糙度Ra<2.5μm的增材制造叶轮零件。磨粒流抛光后表面摩擦系数从0.428 1降低为0.385 3,磨损机制由粘着磨损和剥落磨损变为磨粒磨损。仿真结果表明,随着磨粒流体自上而下运动,叶片间距逐渐增大,叶轮表面所受动压、湍流强度及湍动能逐渐减弱,因与约束装置的作用,底部的动压、湍流强度和湍动能又增大,因此叶轮叶片上端抛光较好,中间部位抛光效果一般,下端抛光效果也较明显。结论 磨粒流抛光过程中,试样表面因塑性变形产生了加工硬化,晶粒得以细化,从而有效提高了其耐磨性能。通过数值模拟与试验分析验证了复杂曲面磨粒流抛光技...     

水浴PTIG微变形电弧增材制造工艺

针对TIG电弧增材制造过程中焊件与基板变形累积的问题,提出了水浴PTIG微变形电弧增材工艺.阐述了水浴PTIG电弧增材工艺的原理和系统组成,对比了水浴和空冷两种工艺条件下增材制造的熔敷速率、基板变形和成形质量.结果表明,水浴条件下的有效熔敷速率稳定在144 g/h,是空冷条件下的2.7倍.水浴条件下基板平面度为2.114,较空冷时降低24%.水浴对直壁体的高度方向成形精度影响较大,对宽度方向影响甚微,水浴时直壁成形件的高度标准差为2.6 mm,低于空冷（3.1 mm）,宽度方向均为0.3 mm.     

增材制造闭式叶轮表面光整技术研究

针对闭式叶轮表面质量难以提升的问题,开展了不同抛光方法对叶轮表面质量的影响研究,分别对比了传统人工打磨结合喷砂、电场与流场协同表面精整工艺和流体抛光工艺的抛光效果。研究发现,采用电场与流场协同表面精整工艺和流体抛光工艺均可提升闭式叶轮表面质量,相较于传统工艺更能提升表面质量。基于此,研究了两种工艺协同作用对闭式叶轮表面质量的影响,发现综合利用两种技术可有效地改善叶轮表面质量,尤其是改善叶轮内流道出口双层狭缝内的表面状态。     

不锈钢增材制造件表面缺陷激光超声检测

利用激光超声技术检测增材制造件表面缺陷,采用有限元方法模拟热弹机制下激光激发超声波的传播过程,对不同探测位置接收的表面波反射信号进行了分析,研究缺陷的深度和宽度对表面波反射信号的影响。对316L不锈钢增材制造件进行了激光超声检测试验,验证了该模型的正确性。利用小波软阈值去噪算法处理采集到的激光超声信号。结果表明,数值模拟与试验结果基本一致,表面波与缺陷作用产生的RS波和RR波的到达时间差可以检测缺陷的深度,缺陷的宽度对检测结果几乎无影响。     

不锈钢增材制造件表面缺陷激光超声检测

利用激光超声技术检测增材制造件表面缺陷,采用有限元方法模拟热弹机制下激光激发超声波的传播过程,对不同探测位置接收的表面波反射信号进行了分析,研究缺陷的深度和宽度对表面波反射信号的影响。对316L不锈钢增材制造件进行了激光超声检测试验,验证了该模型的正确性。利用小波软阈值去噪算法处理采集到的激光超声信号。结果表明,数值模拟与试验结果基本一致,表面波与缺陷作用产生的RS波和RR波的到达时间差可以检测缺陷的深度,缺陷的宽度对检测结果几乎无影响。     

电沉积增材制造微镍柱的工艺研究

目的 探究电沉积工艺参数对无掩模定域性增材制造微镍柱的微观形貌、直径和沉积速率的影响.方法 采用尖锥形铂丝作为阳极、铜板作为阴极,电镀液从阳极和导流腔之间的微缝隙以射流方式流到阴极表面,电化学沉积增材制造微镍柱.采用体视显微镜和扫描电子显微镜对镍柱微观结构进行检测.通过单因素试验研究极间电压和初始极间距对微镍柱微观形貌...     

基于自激振荡脉冲特性的磨粒流抛光不锈钢细管内壁的仿真与实验研究

目的 解决传统抛光方法对细管件或微孔内表面抛光困难的问题。方法 提出一种基于自激振荡脉冲特性的磨粒流抛光方法。利用自激振荡腔,使磨粒流产生振荡脉冲,实现对细管件或微孔内壁高效抛光。建立自激振荡脉冲磨粒流流体区域的数学模型,并通过数值仿真计算获得自激振荡腔体的结构参数d2/d1和L/D以及过渡角β。搭建实验平台,实验验证了自激振荡脉冲特性磨粒流抛光方法的有效性。结果 不锈钢细管件的抛光结果表明,加工12 h后,不锈钢细管件内壁的粗糙度Ra从480 nm降到50 nm,内壁面轮廓无明显的单向性纹理;14 h后,不锈钢细管内壁有明显镜面效果。而无振荡腔的情况下需要磨粒流抛光14 h,管件内壁表面粗糙度才达到55 nm,壁面轮廓存在明显的磨粒流抛光流动方向的纹路。结论 通过仿真和实验证明了自激振荡脉冲效应抛光方法（SOAFP）的有效性。此外,在本实验条件下,自激振荡腔体的结构参数d2/d1=1.6、L/D=0.5和过渡角β=60°时,抛光效率和抛光后表面质量最佳。     

砂带抛光工艺对试样表面完整性的影响

磨削加工作为试样制备的最后一道工艺,对试样的表面质量影响很大.砂带抛光工艺相对于传统砂轮磨削来说,有效率高,质量好等优点,适于试样加工.通过一系列的正交实验和单因素实验,针对A-100材料,探索了抛光速度,进给速度,抛光深度和砂带粒度对试样表面完整性的影响.实验结果表明通过优化上述参数,减少试样表面残余应力,降低表面粗...     

钛合金磨料流光整加工表面完整性研究

目的 研究磨料流光整加工钛合金格栅表面完整性。方法 用电火花加工制备钛合金试样,通过磨料粒径、加工压力、加工次数的单因素试验,来研究其对试样表面粗糙度和表面形貌的影响规律,选用三种初始粗糙度不同的钛合金试样来进行磨料流光整加工效果试验,对比分析磨料流光整加工对试样表面残余应力的影响,进行加工次数的单因素试验研究磨料流加工过程中其对工件表面显微硬度的影响。结果 对于钛合金试样来说,磨料粒径和加工压力越大,表面抛光效果越明显,表面粗糙度就越低。当磨料粒径从38 μm增加到420 μm时,相对应的表面粗糙度值Ra从5.815 μm降低到0.824 μm;当加工压力从8 MPa增加到24 MPa时,相对应的表面粗糙度值Ra从4.314 μm降低到1.398 μm。而随着加工次数的增加,表面粗糙度值Ra从整体上呈现下降趋势,最后趋于稳定,当加工次数从10增加到80时,相对应的表面粗糙度值Ra从5.925 μm降低到0.307 μm,并且最后稳定在0.300 μm附近。钛合金试样经磨料流光整加工之后,表面残余应力由原来的拉应力变成了压应力。随着加工次数的增加,钛合金试样表面显微硬度整体上呈现先减小后增大的趋势,当加工次数从10增加到50时,显微硬度值从532.83HV降到357.73HV,当加工次数从50增加到90时,显微硬度值从357.73HV上升到393.48HV,试样表面显微硬度的均匀性也显著增加。结论 增大磨料粒径和加工压力或者增加加工次数,都能降低工件表面粗糙度,钛合金工件经过磨料流光整加工之后,表面完整性有较大改善。     

SLM成形打印件振动辅助磁力研磨试验

目的 研究使用振动辅助磁力研磨去除选区激光熔化(SLM)成形打印件表面的未熔融粉末时,各加工参数对试样表面粗糙度降低率和表面形貌的影响。方法 结合波导管工件,采用SLM成形打印AlSi10Mg试样,并利用自行研制的振动辅助磁力研磨装置进行加工间隙、磁极转速、振动频率、加工时间等4个因素各5个水平的单因素试验,以表面粗糙度降低率为评价指标,探究各加工因素对试样表面粗糙度降低率和表面形貌的影响规律。结果 对于采用选区激光熔化成形的试样来说,当加工间隙从3 mm增大到7 mm时,试样的表面粗糙度降低率显著降低,最大降低率为84.7%,最小降低率为6%。当加工间隙为3 mm时,试样表面的未熔融粉末基本去除,表面较平整。当磁极转速从200 r/min增大到1 000 r/min时,表面粗糙度降低率先增大后趋于稳定,在转速为200 r/min时表面粗糙度降低率最小(24.3%)。当转速达到400 r/min甚至更高时,表面粗糙度降低率趋于稳定,表面粗糙度降低率保持在80%左右。表面粗糙度降低率随着振动频率增大的变化情况较为复杂,但是总体呈现先增大后减小的趋势,并且在振动频率为15 Hz时,表面粗糙度降低率最大(84.7%)。当加工时间从10 min增大到50 min时,表面粗糙度降低率呈现先增大后减小的变化趋势,在加工时间为40 min时,表面粗糙度降低率最大(81.7%)。结论 加工间隙、磁极转速、振动频率和加工时间对表面粗糙度降低率都有不同程度的影响,SLM成形的试样经过振动辅助磁力研磨之后,表面粗糙度显著降低,表面未熔融粉末得到有效去除。     

基于双自激振荡腔室磨粒流抛光的流体脉冲特性研究

目的 自激振荡脉冲磨粒流抛光方法主要应用于型腔零件内表面的抛光,为进一步增强抛光液的自激振荡脉冲特性,以提高抛光效率,提出一种基于双自激振荡腔室的磨粒流脉冲特性抛光方法.方法 利用串联的两个自激振荡腔体,对抛光液的流体脉冲特性进行二次放大,增强抛光液的峰值速度以及湍流动能.利用数值模拟分析双自激振荡腔室的脉冲特性,搭建...     

超声磁力研磨加工参数对蓝宝石表面粗糙度的影响

目的提高蓝宝石研磨后的表面质量。方法采用超声研磨与磁力研磨相结合的工艺方法,对蓝宝石进行研磨加工。超声研磨采用恒流超声电源及等效阻抗控制进给方式,通过改变不同阻抗阈值获得不同的加工表面。磁力研磨采用永磁体及磁场旋转的运动方式,通过调节转速、更换磨粒大小获得不同的加工表面。以旋转磁场速度、磁性磨粒大小、阻抗阈值作为主要工艺参数,以表面粗糙度值R_p、R_v、R_z、R_a为评价指标,设计相应的工艺试验。结果采用超声磁力研磨加工方法,当旋转磁场转速为1200 r/min、磁性磨粒目数为120目、阻抗阈值为330?时,得到了蓝宝石加工表面粗糙度值分别为:R_p=1.992μm,R_v=1.313μm,R_z=3.305μm,R_a=0.055μm。结论采用超声磁力研磨工艺加工蓝宝石时,在旋转磁场转速及阻抗阈值一定的情况下,磁性磨粒大小对表面粗糙度值的影响较显著;在磁性磨粒大小一致的情况下,旋转磁场转速及阻抗阈值主要对表面粗糙度值Rp及Rv的影响较大。     

偏置量对固结磨料小工具头抛光面形收敛效率的影响

目的 解决自由曲面磨抛面形收敛困难的问题,提高抛光小工具头的抛光效率.方法 提出一种偏置式固结磨料小工具头,基于固结磨料小工具头的结构特征参数,建立抛光小工具头的去除函数理论模型,并进行仿真分析,应用定点抛光法建立抛光小工具头去除函数实验模型,并验证抛光小工具头理论去除函数合理性,基于CCOS技术原理建立工件表面定量去除模型,通过虚拟加工实验探索偏置量对固结磨料小工具头抛光钛合金后的面形收敛效率的影响.结果 归一化理论去除函数曲线与实验曲线吻合度较高,定点抛光去除函数仿真模型能够很好地预测定点抛光斑的去除轮廓形状.抛光小工具头抛光钛合金的面形误差随偏置量增加,呈现先减小、后增大的趋势,无偏置的抛光小工具头抛光后,面形数据均方根(RMS)收敛效率为54.56％,波峰值与谷峰值之差(PV)的收敛效率为60.21％,当抛光小工具头偏置量为1.5 mm时,抛光后的RMS收敛效率达到最高,为73.83％,PV收敛效率为69.68％.结论 固结磨料小工具头去除函数理论模型可指导确定性材料去除,偏置量为1.5 mm时的抛光小工具头具有最强的修正误差能力,可以显著提高固结磨料小工具头抛光工艺的面形收敛效率.     

基于响应面法的镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨工艺参数研究

目的 研究磁粒研磨工艺参数对超细长镍钛合金血管支架管材内壁表面粗糙度的影响.方法 搭建镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨加工实验设备,使用自由降落气固两相流双级雾化快凝磁性磨料制备方法,制备了铁基金刚石磁性磨料,对内径为1.0 mm、外径为1.2 mm、长度为1800～2000 mm的镍钛合金血管支架管材内壁进行磁粒光整加工.以表面粗糙度为评价指标,设计4因素3水平的响应曲面实验,探究管材旋转速度、磁极进给速度、磨料填充量和磨料粒径对表面粗糙度的影响规律及其相互作用关系,并建立4个工艺参数关于表面粗糙度模型的回归模型.使用Design-Expect 12软件对工艺参数进行优化,得到最优工艺参数组合,并加以试验验证回归模型的准确性.结果 根据响应面分析结果,管材旋转速度与磁极进给速度、管材旋转速度与磨料填充量以及管材旋转速度与磨料粒径,对表面粗糙度的交互影响作用显著.以表面粗糙度为评价指标,各工艺参数对表面粗糙度的影响因素大小排序为:管材旋转速度>磁极进给速度>磨料填充量>磨料粒径.以表面粗糙度值最小为目标,得到工艺参数组合为:管材旋转速度100 r/min,磁极进给速度5 mm/min,磨料填充量0.1 g,磨料粒径100.00μm.预测表面粗糙度Ra为0.101μm,试验实际表面粗糙度Ra为0.112μm,实际值与预测值的误差为10.9％.结论 使用磁粒研磨法对镍钛合金血管支架管材内壁进行光整加工,解决了超细、超长的镍钛合金血管支架管材内壁的光整加工问题.响应曲面法可对镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨工艺参数进行优化,建立的表面粗糙度模型具有良好的预测能力,对实际工程应用具有指导意义.