高航， 李世寵， 付有志， 魏海波， 彭燦， 王宣平

大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024

金屬增材制造格柵零件磨粒流拋光

高航*， 李世寵， 付有志， 魏海波， 彭燦， 王宣平

大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024

增材制造(AM)技術(shù)對成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件有顯著優(yōu)勢，但以選區(qū)激光熔融技術(shù)為代表的金屬增材制造技術(shù)固有的“粉末粘附”、“球化效應(yīng)”所導(dǎo)致的毛糙表面，使零件難以滿足使用要求。采用混合粒徑磨料介質(zhì)對增材制造鋁合金格柵外表面及細小內(nèi)孔進行一體化拋光試驗研究。通過分析磨粒流加工過程各階段的微觀形貌和表面輪廓測量結(jié)果等來研究材料去除過程中零件表面形貌、材料去除和表面粗糙度變化。試驗結(jié)果表明，磨粒流加工方法能夠有效消除“球化效應(yīng)”導(dǎo)致的零件表面的金屬球團簇聚集現(xiàn)象，并能夠?qū)υ霾闹圃旄駯帕慵獗砻婧蛢?nèi)孔實現(xiàn)有效的拋光，格柵表面粗糙度從初始的14 μm降至1.8 μm。

增材制造(AM)；球化效應(yīng)；粉末粘附；鋁合金格柵；磨粒流加工；磨削

以選區(qū)激光熔融(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)為代表的增材制造技術(shù)，將三維模型轉(zhuǎn)換為一系列二維模型，通過“分層制造，逐層疊加”，利用高能束激光熔化金屬粉末直接制造出實體零件。增材制造技術(shù)能夠極其顯著地縮短復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造周期，在航空航天等領(lǐng)域顯現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[1-2]。

目前采用SLM技術(shù)成型零件的致密度達99%以上，其力學(xué)性能已優(yōu)于鑄件。但目前金屬增材制造零件表面粗糙度一般仍在10～50 μm 之間，而機械精加工表面粗糙度能夠達到2.5 μm以下[3-6]。增材制造技術(shù)所特有的“球化效應(yīng)”(Balling Effect)、“粉末粘附” (Powder Adhesion)等是導(dǎo)致增材制造金屬零件表面粗糙度較差的主要因素[6]。另一方面，航空航天等領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃炝慵砻娲植诙扔休^高的要求，對金屬增材制造零件的后續(xù)光整加工不可或缺[7]。

目前改善增材制造金屬零件表面質(zhì)量的拋光技術(shù)有手工拋光、砂帶/砂輪拋光、電化學(xué)拋光、磨粒流拋光等[8-10]。其中手動拋光效率低，表面加工效果取決于操作者的技術(shù)水平，加工一致性較差，且拋光殘余金屬粉末會損害操作者健康[8]。而砂帶/砂輪磨削對于復(fù)雜內(nèi)表面的加工可達性不高，無法滿足加工要求。電化學(xué)拋光使用的化學(xué)溶液所導(dǎo)致的環(huán)境污染問題尚待解決[9]。

磨粒流加工(Abrasive Flow Machining, AFM)方法具有高加工可達性，對復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進行光整加工具有顯著的優(yōu)勢[11-16]。Williams和Melton[17]采用磨粒流拋光增材制造零件，對由“階梯效應(yīng)”導(dǎo)致的粗糙表面具有良好的改善效果。Uhlmann等[18]采用磨粒流加工拋光SLM技術(shù)增材制造的葉片，研究發(fā)現(xiàn)沿流動方向存在明顯的拋光不一致性，葉片進排氣邊的拋光效果明顯好于葉盆及葉背中心區(qū)域，葉片型面精度丟失。Bergmann等[19]研究了磨粒流加工技術(shù)對SLM技術(shù)成型平板樣件的拋光效果，樣件表面粗糙度由Rz=53 μm降至Rz=2 μm左右，此外還驗證了磨粒流加工技術(shù)對通孔拋光的可行性。Atzeni等[20]針對增材制造鋁合金平板樣件，研究了開敞式磨粒流加工技術(shù)中磨粒形狀、磨粒流速等對拋光效果的影響。Furumoto等[21-22]對增材制造注塑成型模具的隨形水冷流道內(nèi)表面進行磨粒流拋光，研究了內(nèi)表面上所設(shè)計的“凸起”結(jié)構(gòu)對流道內(nèi)表面拋光的影響，發(fā)現(xiàn)“凸起”結(jié)構(gòu)改變內(nèi)流道內(nèi)磨料介質(zhì)流動特性從而實現(xiàn)顯著改善磨粒流加工材料去除效果。

綜上，目前增材制造零件磨粒流加工研究尚未涉及增材制造零件復(fù)雜內(nèi)外表面一體化拋光、磨粒粒徑對拋光效果影響等問題。零件內(nèi)外表面一體化拋光是實現(xiàn)增材制造復(fù)雜零件磨粒流高效加工的有效途徑。本文對航空領(lǐng)域中的增材制造AlSi10Mg鋁合金群孔格柵板零件進行磨粒流加工拋光試驗，研究混合粒徑磨料介質(zhì)對金屬增材制造群孔零件內(nèi)外表面的一體化拋光效果，研究一體化拋光材料去除規(guī)律，探索磨粒流加工在增材制造零件內(nèi)外表面拋光加工方面的應(yīng)用。

1 增材制造格柵零件初始形貌

圖1所示為采用SLM增材制造技術(shù)制備的AlSi10Mg鋁合金矩形群孔格柵板零件，長為100 mm， 寬為80 mm，其中心區(qū)域陣列分布邊長為3 mm 的菱形直孔，在超景深顯微鏡(VHX-600E)下觀察其形貌，格柵表面存在大量鋁合金粉末部分熔融形成的堆積層(“球化效應(yīng)”)、直孔邊緣處有顯著的增材成型過程熔池?zé)嵊绊憛^(qū)內(nèi)“粉末粘附”所形成的粉末聚集。增材制造過程所固有的“球化效應(yīng)”和“粉末粘附”現(xiàn)象嚴重地影響了格柵零件外表面以及內(nèi)孔的表面質(zhì)量，測量零件表面粗糙度值為Sa=2～15 μm。

對于此格柵零件的表面拋光加工，不僅需要將格柵零件外表面的粉末粘附、球化層去除，同時還需將格柵孔內(nèi)表面粉末粘附、小尺寸球化等松動層去除。

圖1 增材制造鋁合金格柵零件Fig.1 Additively manufactured aluminum alloy grille part

圖2所示是在1 000倍激光共聚焦顯微鏡下觀測的增材制造鋁合金格柵零件剖面形貌。在格柵表面存在大量具有明顯波峰波谷結(jié)構(gòu)的大尺寸球化層，其峰谷值在100 μm以上。并且，在大尺寸球化層表面附著有松動粉末粘結(jié)層和小尺寸球化層，如圖中圓圈所示。因此，若要顯著改善格柵零件表面粗糙度，光整加工的材料去除量須大于100 μm。

圖2 鋁合金格柵零件剖面輪廓Fig.2 Cross-section profiles of aluminum alloy grille part

2 磨粒流拋光試驗

2.1 一體化磨粒流拋光技術(shù)方案

磨粒流加工原理如圖3所示。磨粒流加工的主體由上、下兩料缸和推料活塞組成。加工過程中將待加工零件與夾具進行裝配并置于上、下料缸間夾緊以形成密封流道，上、下兩推料活塞驅(qū)動封閉流道中的磨料介質(zhì)往復(fù)流動，實現(xiàn)對零件表面拋光。

磨粒流加工中流道設(shè)計至關(guān)重要，為實現(xiàn)同時拋光格柵外表面以及格柵上菱形內(nèi)孔，采用如圖4所示的流道設(shè)計方案和相應(yīng)夾具，實現(xiàn)格柵零件內(nèi)外表面一體化磨粒流拋光加工。格柵零件固定于磨料介質(zhì)流動區(qū)域并與豎直方向形成傾斜角度θ，格柵零件兩長邊與夾具體接觸密封，起到定位與夾緊作用；格柵零件兩側(cè)表面與夾具內(nèi)壁之間留有流道間隙a。在磨粒流加工過程中，磨料介質(zhì)同時流經(jīng)格柵零件外表面和菱形內(nèi)孔表面，從而實現(xiàn)格柵零件內(nèi)外表面同時拋光。格柵零件的傾斜角度θ及格柵零件兩側(cè)表面與夾具內(nèi)壁之間的流道間隙a為該磨粒流加工可控工藝參數(shù)。

圖3 磨粒流加工原理Fig.3 Schematics of AFM process

圖4 磨粒流加工夾具和流道Fig.4 Fixture and flow channel for AFM process

2.2 工藝參數(shù)選擇

分別采用3種僅含單一粒徑磨粒(120目、80目和24目)的磨料介質(zhì)對格柵零件外表面的磨粒流拋光效果如圖5所示，在200倍倍率超景深顯微鏡下觀察拋光零件表面形貌，在同樣經(jīng)過50次加工循環(huán)后，采用120目磨料介質(zhì)加工的工件表面僅有輕微的材料去除、采用含80 目磨料介質(zhì)加工的工件表面材料去除稍好、采用含24 目磨料介質(zhì)加工的工件表面材料去除效果最明顯。磨粒目數(shù)越小、磨粒粒徑越大，磨料介質(zhì)對零件表面的材料去除效果越好。同時，如圖6所示，格柵上菱形內(nèi)孔邊長約為3 mm，較大粒徑磨粒無法在直孔內(nèi)角處實現(xiàn)材料去除且易卡嵌在格柵直孔內(nèi)，故須采用含有較小粒徑磨粒的磨料介質(zhì)才能對于菱形直孔內(nèi)角以及菱形直孔內(nèi)表面進行有效的拋光。綜合考慮格柵零件拋光材料去除效率、格柵內(nèi)孔加工可達性以及格柵拋光后磨料清理等因素，格柵零件一體化磨粒流加工研究采用混合粒徑磨料介質(zhì)，磨料介質(zhì)中大磨粒粒徑為24目、小磨粒粒徑為80目。

圖5 磨粒流加工中不同粒徑磨粒對增材制造零件的拋光效果對比Fig.5 Comparison of polishing effects of additively manufactured parts with abrasives of different sizes in AFM

依據(jù)質(zhì)量守恒定律及冪率剪切稀化理論[23]，磨粒流設(shè)備液壓為2.0 MPa、活塞速度為12 mm/s，流道間隙a=6 mm、格柵零件的傾斜角度θ=2° 時，流道最寬及最窄處的剪切速率值均處于102s-1量級，依圖7最低介質(zhì)黏度在允許范圍內(nèi)。

針對同一格柵零件磨粒流拋光試驗先后分9次完成，循環(huán)次數(shù)如表1所示。

圖6 不同粒徑磨粒對內(nèi)孔的材料去除原理Fig.6 Schematic for material removal of inner hole with abrasives of different sizes

圖7 磨料介質(zhì)黏度-剪切速率曲線Fig.7 Curve of viscosity vs shear rate for abrasive media

表1 磨粒流加工循環(huán)次數(shù)Table 1 Cycle numbers in AFM process

TestNo．123456789Numberofcycles151515153060120120120

3 試驗結(jié)果

3.1 零件表面材料去除

為研究磨粒流加工中格柵表面材料去除過程，在格柵零件表面鉆取圓形盲孔作為磨粒流加工的基準孔，采用激光共聚焦顯微鏡(VK-X250)觀測在磨粒流加工過程中基準孔周邊同一位置的表面形貌變化，如圖8所示。

如圖8(b)所示，經(jīng)過15次加工循環(huán)后，零件表面的粘附金屬粉末以及一些較松動的增材制造過程中形成的金屬球被去除，但格柵零件表面仍存在大量的金屬球牢固地聚集粘接在零件表面，零件表面有明顯的凹坑。如圖8(b)的局部放大圖所示，在粘結(jié)金屬球所占據(jù)的凹坑附近的磨粒劃痕明顯曲折、雜亂，這表明大、小粒徑磨粒持續(xù)對凹坑內(nèi)粘附金屬球的擠壓和滑擦導(dǎo)致金屬球松動、脫離，逐步消除“球化效應(yīng)”導(dǎo)致的零件表面的金屬球團簇聚集現(xiàn)象。磨粒流加工過程中不同粒徑磨粒對于零件表面凹坑內(nèi)粘附金屬球去除的示意圖如圖9所示，由磨料介質(zhì)與零件表面的擠壓和摩擦，大、小粒徑磨粒共同作用將零件表面松散層去除，圖中F1～F5為不同階段磨粒的受力情況。

如圖8(c)所示，經(jīng)過90次加工循環(huán)后，零件表面已經(jīng)呈現(xiàn)較為明顯的金屬光澤，團簇聚集粘附在零件表面的金屬球已顯著減少，但零件表面仍存在肉眼可見的凹坑。

圖8(d)為經(jīng)過510次磨粒流加工循環(huán)后，格柵零件表面拋光效果?！扒蚧?yīng)”遺留的金屬球團簇聚集所形成的凹坑已被去除，對應(yīng)位置的磨粒耕犁產(chǎn)生的劃痕較為平直，取得了良好的拋光效果，粗糙度降至Sa=1.8 μm。

在各拋光階段基準孔及格柵表面輪廓曲線對比如圖10所示。圖中圓形深坑為磨粒流加工前所鉆基準孔，采用共聚焦顯微鏡根據(jù)該基準孔繪出對應(yīng)階段基準孔及格柵表面輪廓曲線，兩條曲線間陰影部分即為材料去除。圖10(a)及圖10(b)表明，在磨粒流拋光的初始階段，基準孔附近的材料去除以“削峰”為主，圖10(c)表明，在磨粒流拋光的中后階段，若不計及基準孔對材料去除的影響，基準孔附近各處材料去除較為均勻，對比圖8，“球化效應(yīng)”微小金屬球在零件表層形成的微小凹坑逐漸被去除。

圖8 磨粒流加工各階段零件表面形貌Fig.8 Surface topologies at different stages of AFM process

圖9 不同粒徑磨粒去除“球化效應(yīng)”原理 Fig.9 Schematics for removing “balling effect” with grains of different sizes

此外，格柵零件上選取6個點作為參考點，考察每個加工階段后該點厚度變化以研究磨粒流加工過程中零件各位置的材料去除量，其中各點平均厚度(δ)及相應(yīng)標(biāo)準差變化曲線如圖11所示。在初始階段曲線變化劇烈、零件材料去除率較高，該趨勢與傳統(tǒng)減材制造零件拋光的趨勢一致；大致在90次循環(huán)之后，曲線變化平緩、零件表面材料去除率逐步降低。

圖10 各階段表面輪廓線對比Fig.10 Comparisons of surface profiles at different stages

零件表面A、B兩個觀測點的位置及其粗糙度(Sa)變化曲線如圖12所示。表面粗糙度值在初始階段下降較快，大致在90次循環(huán)之后下降速度顯著減緩，直至粗糙度無明顯變化。兩檢測點粗糙度變化趨勢十分接近，A、B兩觀測點的初始表面粗糙度分別為12.948 和14.101 μm，加工過程中二者差距不斷減小，最終面粗糙度趨于一致，磨粒流拋光增材制造零件表面質(zhì)量具有良好的一致性。

圖11 格柵零件平均厚度變化曲線Fig.11 Curve of average thickness change for grille part

圖12 格柵零件表面粗糙度變化曲線Fig.12 Curve of surface roughness change for grille part

3.2 格柵零件拋光效果

磨粒流加工前后零件整體加工效果對比、50倍倍率超景深顯微鏡下零件形貌對比、1 000倍共聚焦顯微鏡下剖面形貌對比如圖13所示。格柵由初始的暗色坑洼麻面被加工為光亮金屬平面，零件表面無明顯劃傷及加工缺陷、表面紋理均勻，各內(nèi)孔拋光較為均勻，零件表面粗糙度由初始的Sa=13～14 μm降至Sa=1.8 μm；觀察其截面形貌可知在增材制造過程中由于“球化效應(yīng)”和“粉末粘附”所形成的“波峰”已完全被去除，零件外表面平整，加工效果顯著，零件單邊材料去除量大于150 μm。

采用位相光柵干涉粗糙度輪廓儀(PGI 840)測得的零件表面粗糙度輪廓在磨粒流加工前后對比如圖14所示。格柵表面紋理幅值下降明顯，由初始的135 μm降至10 μm以下，表面紋理波動頻率顯著減少，零件表面峰谷值均勻性顯著提升。

在50倍倍率超景深顯微鏡下在磨粒流加工前后的零件內(nèi)孔外輪廓形貌，以及沿內(nèi)孔中心軸線切開所觀察到的內(nèi)孔內(nèi)表面形貌如圖15所示，內(nèi)孔表面粉末粘附和小型球化松動層已經(jīng)被去除，呈宏觀平整表面，且零件內(nèi)孔壁材料去除均勻。零件內(nèi)孔尺寸測量表明內(nèi)孔側(cè)壁的單邊去除量略大于250 μm，其材料去除量大于零件外表面去除量但仍處于同一量級。但與格柵外表面相比，孔內(nèi)表面仍分布著顯著的凹坑，加工后側(cè)壁表面殘留凹坑深度仍可達200 μm。原因在于內(nèi)孔壁面為增材制造層間邊緣結(jié)合處，故此處粗糙度明顯比外表面差，層間邊緣結(jié)合處的表面質(zhì)量仍然是增材制造需要解決的問題。

圖13 零件表面拋光加工效果Fig.13 Machining effect of outside surface of part

圖14 格柵零件表面粗糙度輪廓對比Fig.14 Comparison of surface roughness profiles of grille part

圖15 格柵零件內(nèi)孔面的加工效果Fig.15 Machining effect of internal surface of grille part

4 結(jié) 論

1) 用磨粒流加工方法可以有效拋光SLM增材制造過程固有的“粉末粘附”、“球化效應(yīng)”所導(dǎo)致的粗糙表面。經(jīng)磨粒流拋光后，AlSi10Mg鋁合金格柵零件表面粗糙度從初始的14 μm 降至1.8 μm，格柵呈現(xiàn)光亮金屬平面、表面紋理均勻，“球化效應(yīng)”遺留的金屬球團簇聚集所形成的凹坑已被有效去除。

2) 磨粒流加工過程中各階段格柵表面形貌以及基準孔附近表面輪廓的對比表明，對“球化效應(yīng)”的消除方式，在初始階段以磨粒對粘附金屬球的擠壓和滑擦導(dǎo)致金屬球松動、脫離來減少金屬球團簇為主，在加工中后期以磨粒耕犁作用消除金屬球團簇聚集所形成的凹坑為主。

3) 用含有混合粒徑磨粒(80目和24目)的磨料介質(zhì)可以有效地實現(xiàn)格柵內(nèi)外表面一體化拋光。格柵表面以及菱形內(nèi)孔材料去除量分別是150和250 μm，并且菱形內(nèi)孔尖角處也得到了有效拋光。探索更多有效的含混合粒徑磨粒的磨料介質(zhì)配置方案實現(xiàn)增材制造金屬零件內(nèi)外表面一體化拋光，需要進一步開展研究。

4) 增材制造零件內(nèi)孔表面一般為增材制造層間邊緣結(jié)合處、表面質(zhì)量比外表面差，內(nèi)孔拋光性能良好的磨粒流加工方法為此類零件內(nèi)孔拋光提供了有效途徑。

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Abrasiveflowmachiningofadditivelymanufacturedmetalgrillingparts

GAOHang*,LIShichong,FUYouzhi,WEIHaibo,PENGCan,WANGXuanping

KeyLaboratoryforPrecisionandNon-traditionalMachiningTechnologyofMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China

AdditiveManufacturing(AM)technologyisobviouslyadvantageousinproducingpartswithcomplexstructures.However,itisdifficultfortheas-builtsurfacesofAMpartstomeetthequalityrequirement,astheas-builtsurfacesaredeterioratedbytheinherentcharacteristicsofpowderadhesionandballingeffectofmetalAMtechnologies,e.g.SelectiveLaserMelting(SLM).TheAbrasiveFlowMachining(AFM)isusedtopolishtheouterandinnersurfacesofadditivelymanufacturedaluminumgrilleparts,withtheabrasivemediacontaininggritsofdifferentsizes.Thevariationsofsurfacetopology,materialremovalandsurfaceroughnessofthegrilleareconsideredbyanalysesofmeasurementsofmicro-topologyandprofilesduringtheAFMprocess.Theexperimentresultsshowthatclusteringofmoltenmetalballsduetotheballingeffectcanberemovedeffectivelyfromthegrillesurface,andthesurfaceroughnessisreducedfromtheinitial14μmtothefinal1.8μm,withprettygoodpolishingeffectbeingachievedfortheouterandinnersurfacesofthegrille.

AdditiveManufacturing(AM);ballingeffect;powderadhesion;aluminumalloygrille;abrasiveflowmachining;abrasivemachining

2017-03-02；Revised2017-03-13；Accepted2017-04-05;Publishedonline2017-04-271115

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2017-03-02；退修日期2017-03-13；錄用日期2017-04-05；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-04-271115

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高航， 李世寵， 付有志， 等． 金屬增材制造格柵零件磨粒流拋光J． 航空學(xué)報,2017,38(10):421210.GAOH,LISC,FUYZ,etal.AbrasiveflowmachiningofadditivelymanufacturedmetalgrillingpartsJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(10):421210.

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