增材制造在航空航天和醫(yī)療市場(chǎng)的廣泛使用促使人們不斷提高對(duì)精加工增材部件表面的要求鸣谒，以滿足最終應(yīng)用需求柄哀。增材制造工藝能夠生產(chǎn)出接近最終形狀的組件，顯著降低了最終精加工的需求颈顽。通過增材制造铲桑，可以降低材料浪費(fèi)率，有利于整體制造工藝盖赛，但是這也意味著后續(xù)的精加工過程對(duì)后處理技術(shù)和一致性的要求越發(fā)嚴(yán)苛掺薪。因此，需保證后處理的一致性甜届，滿足部件公差和表面質(zhì)量要求啤邑。在對(duì)公差和表面提出更高要求的應(yīng)用中，磨削可以是增材制造的另一個(gè)有效選擇岛涝。與其他傳統(tǒng)材料去除工藝相比脓杉，磨削得到的表面質(zhì)量和完整性更好糟秘。為了進(jìn)一步了解增材制造的精加工简逮，尤其是應(yīng)用于航空航天業(yè)中的鎳基高溫合金部件時(shí)球散，Norton|Saint-Gobain公司的工程師對(duì)采用增材制造的Inconel 718樣品進(jìn)行了精磨削研究。研究主要圍繞3個(gè)問題展開：需要從增材制造的部件上磨掉的最低材料量/體積是多少散庶？使用最新一代的砂輪對(duì)增材制造的部件進(jìn)行磨削可以達(dá)到怎樣的表面光潔度蕉堰？第三，精磨削對(duì)增材制造組件的表面殘余應(yīng)力（如有）有什么影響悲龟？

圖1 磨削前的AM Inconel 718測(cè)試樣品

采用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）工藝制造的AM IN718樣品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供屋讶。圖1所示為增材制造測(cè)試樣品。增材制造后须教，對(duì)樣品進(jìn)行介質(zhì)噴砂處理皿渗，完后消除應(yīng)力。接著是熱等靜壓轻腺、固溶處理/退火和沉淀硬化處理乐疆。樣品硬度為40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技術(shù)中心的Magerle MFP-125.50.65間歇進(jìn)給磨削機(jī)上的Norton NQX60E24VTX2砂輪進(jìn)行樣本磨削贬养，圖2和圖3所示為測(cè)試設(shè)置挤土。

圖2 整機(jī)設(shè)置

圖3 設(shè)備特寫

首先，逐漸加大切削深度郎博，進(jìn)行幾個(gè)區(qū)域的磨削巧杰，確定需要清除的最小材料量后，對(duì)增材制造的表面進(jìn)行處理抱壶。之后按照規(guī)定的切削深度進(jìn)行磨削谈嚣，然后檢查表面是否存在明顯缺陷。圖4所示為實(shí)驗(yàn)期間部件清理后的樣品圖片院颜。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果琅沟，為了消除增材制造過程中產(chǎn)生的所有幾何不一致性和表面缺陷，需要從組件中去除大約0.30～0.45mm的材料路倔。

圖4 部分磨削后的AM Inconel 718測(cè)試樣品

本次測(cè)試采用的磨削長(zhǎng)度為50.8mm熏屎，砂輪直徑為462mm，工作速度為23m/s逮赋【┧裕總共對(duì)五個(gè)的材料去除率（MRR）進(jìn)行了測(cè)試，范圍為0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm卓奄。通過更改進(jìn)給速度（mm/min）或切割深度（mm）調(diào)整材料去除率墨叛。對(duì)多個(gè)材料去除率進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估中低材料去除率對(duì)表面光潔度和磨削能力的影響模蜡。盡管可以使用現(xiàn)代工程磨料以較高的去除率對(duì)鎳基合金（例如Inconel 718）進(jìn)行磨削漠趁，但根據(jù)目前工業(yè)上用于精加工標(biāo)準(zhǔn)Inconel工件的標(biāo)準(zhǔn)精加工率扁凛，本研究選擇了較低的材料去除率。以標(biāo)準(zhǔn)（非增材制造）工件磨削為例闯传，預(yù)期結(jié)果是谨朝，隨著材料去除率的增加，磨削功率增加甥绿，磨削后的工件表面光潔度（Ra）將增加或表面會(huì)變得更粗糙字币。

磨削前后，采用聯(lián)邦接觸輪廓儀系統(tǒng)5000測(cè)量工件的表面光潔度共缕，測(cè)量點(diǎn)包括工件上的多個(gè)位置和兩個(gè)方向（圖5a和圖5b）洗出。此外，還在多個(gè)位置進(jìn)行了非接觸輪廓儀表面測(cè)量图谷。

圖5a 表面光潔度測(cè)量方向（平行于磨削方向）

圖5b 表面光潔度測(cè)量方向（垂直于磨削方向）

磨削前翩活，對(duì)增材制造材料的表面光潔度進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，在不同測(cè)量方向上便贵，光潔度存在很大差異倒恭。縱向測(cè)量時(shí)秤慌，平均光潔度為3.3微米R(shí)a邦擎；橫向測(cè)量（圖5b）時(shí)，平均光潔度為2.1?mRa式涝。而在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鑄態(tài)Inconel 718材料時(shí)僧逞，不會(huì)出現(xiàn)這種顯著差異。這種差異似乎與3D制造方法有關(guān)图汪，但是目前尚不清楚確切原因杏蟋。

采用接觸輪廓儀測(cè)量磨削后表面光潔度的常規(guī)方法是垂直于磨削線，而不是平行于磨削線讳汇。本次研究中震崎，在平行于磨削線和垂直于磨削線兩個(gè)方向上測(cè)量了表面光潔度。然后將磨削后的測(cè)量結(jié)果與磨削前的縱向和橫向測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較枪第。

重點(diǎn)在于汉锡，沿著垂直于磨削線的方向進(jìn)行測(cè)量磨削后的表面時(shí)，測(cè)針會(huì)越過磨削線的波峰和波谷兜蠕。而在平行方向上進(jìn)行測(cè)量時(shí)扰肌，測(cè)針平行于磨削線移動(dòng)，永遠(yuǎn)不會(huì)越過峰谷熊杨。因此曙旭，不出所料，本次研究中晶府，垂直測(cè)量得出的（粗糙）表面光潔度明顯高于平行方向的測(cè)量結(jié)果桂躏。

磨削前后對(duì)增材制造材料的表面光潔度進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)钻趋，不同測(cè)量方向的光潔度存在顯著差異。本次研究中剂习，采用平行于磨削線和垂直于磨削線兩個(gè)方向上進(jìn)行表面光潔度測(cè)量蛮位，結(jié)果確實(shí)存在顯著差異。在平行方向上測(cè)量時(shí)进倍，磨削前土至，平均表面光潔度為3.3?mRa购对，研磨后為0.21?ma猾昆。在垂直方向上測(cè)量時(shí)，磨削前协包，平均表面光潔度為2.1?mRa帅珍，研磨后為0.5?mRa。

此外幔憋，還采用了Nanovea 3D表面輪廓儀和白光色差技術(shù)對(duì)增材樣品進(jìn)行了分析司报，將表面特征以視覺化方式呈現(xiàn)出來。在本次測(cè)試中全乙，收到增材制造樣品后偎洋，采用玻璃介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行介質(zhì)噴砂處理，除去表面凸起的部分侄伟。磨削后在表面上可以看到的線條是磨削操作留下的線條睁奶。可以使用較細(xì)磨料粒度的砂輪或其他打磨產(chǎn)品撇委，例如工程類磨帶爵蝠，進(jìn)一步減少表面線條，形成超級(jí)精細(xì)的表面汪仰，前提是這點(diǎn)對(duì)于組件的性能和質(zhì)量而言至關(guān)重要揩墓。

為了進(jìn)一步了解磨削對(duì)AM IN718樣品整體表面完整性的影響，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射設(shè)備典挑，在收到和磨削樣品后酥宴，進(jìn)行了表面殘余應(yīng)力測(cè)量。對(duì)兩種狀態(tài)下同一樣品6個(gè)不同位置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)您觉，在兩種條件下近表面殘余應(yīng)力均為負(fù)值/存在壓縮力拙寡。這種情況主要發(fā)生在精磨削后的組件上，其近表面殘余應(yīng)力具有壓縮性顾犹，可延緩表面裂紋擴(kuò)散倒庵，提高疲勞壽命。

本次研究期間炫刷，按照5個(gè)材料去除率對(duì)磨削功率進(jìn)行了測(cè)量擎宝。隨著材料去除率的增加郁妈，磨削功率也隨之增加。這種行為存在于大多數(shù)磨削操作中绍申。在0.1mm3/sec./mm的最低速率時(shí)噩咪，磨削期間的峰值功率為1.4kW。而在3.9mm3/sec./mm的最高材料去除率下极阅，磨削功率為10.8kW胃碾。

本次研究的結(jié)果證明，對(duì)增材制造的鎳基合金（比如Inconel 718）進(jìn)行精磨削可以將表面的粗糙度降低近94%（平行于磨削線）或34%（垂直于磨削線）蛹鼎⊙可以根據(jù)要求，使用磨料粒度更精細(xì)的砂輪或其他打磨產(chǎn)品列充，比如工程類磨帶獲得超精細(xì)表面品痕。此外，結(jié)果還表明频咨，為了提高表面精細(xì)度府贰，需從組件上去除0.30～0.45mm的材料，并清除掉所有與3D制造過程相關(guān)的幾何不一致性埃账。對(duì)于增材制造商而言窑岖，最低去除率是關(guān)鍵信息，因?yàn)樗麄円恢痹谂σ宰罹叱杀拘б娴姆椒ㄗ屧霾闹圃旖M件盡可能達(dá)到近凈形狀唱棍。此外匹惊，殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，磨削后的表面應(yīng)力具有壓縮性逛镶，可以延緩表面裂紋擴(kuò)大迄埃，從而延長(zhǎng)所制造的組件的疲勞壽命。

（《MM現(xiàn)代制造》）

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