李 彬，張 捷，康徐紅，顧 海

（南通理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

1 引言

熔融沉積成型工藝（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）是快速成型技術(shù)的一種工藝，屬于增材制造領(lǐng)域[1-2]。由于其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用、維護(hù)成本較低，可使用無污染的材料，可在辦公環(huán)境下使用等優(yōu)勢，F(xiàn)DM工藝已成為目前應(yīng)用最為普及的3D打印技術(shù)之一[3-4]。其基本原理是通過層層疊加堆積材料從而得到原型或零件[5]。由于“臺階效應(yīng)”，F(xiàn)DM成型件表面有較明顯的條紋，因此需要對FDM成型件進(jìn)行后處理[6-7]，如去除支撐、打磨。打磨常使用的工具是銼刀和砂紙，但容易傷到打印對象和操作人員；也可使用打磨機(jī)、砂輪機(jī)、噴砂機(jī)等設(shè)備，但對成型件表面處理并不均勻[8]。利用數(shù)控加工對FDM成型件進(jìn)行加工可以有效的提高成型件的表面質(zhì)量[9-10]。

著重從影響數(shù)控加工表面精度的工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度等三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析其對FDM成型件的加工誤差和表面粗糙度的影響，以確定最小加工誤差和最小表面粗糙度所對應(yīng)的最優(yōu)加工參數(shù)，這對FDM成型件的后處理具有理論指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

采用Solidworks軟件進(jìn)行樣件的三維建模，樣件為高度50mm，直徑25mm的圓柱，然后保存為STL格式的文件。

采用Enstart-S型3D打印機(jī)打印樣件，先將文件導(dǎo)入打印機(jī)控制軟件3dStart，試樣豎直擺放，然后進(jìn)行切片并生成打印路徑，最后開始打印。打印過程，如圖1所示。

圖1 打印過程Fig.1 The Printing Process

成型材料為直徑為1.75mm的PLA線材。具體的成型工藝參數(shù)：打印速度為60mm/s，擠出速度為45mm/s，噴頭溫度為195℃，打印層厚為0.2mm，噴嘴直徑為0.3mm，外圈實(shí)心層為1層，填充線間距為0mm。數(shù)控加工采用FANUC-0i數(shù)控車床，加工時(shí)開切削液，從而避免加工溫度過高導(dǎo)致的塑件彈性變形。加工過程，如圖2所示。為獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)分別用3個(gè)樣件進(jìn)行數(shù)控加工。將打印后及數(shù)控加工后的樣件分別在室內(nèi)通風(fēng)干燥的環(huán)境靜置24h，利用（25～50）mm千分尺對樣件間隔5mm，測量10次直徑，取平均值，分別為Φ前、Φ后。采用時(shí)代TR200型手持式表面粗糙度儀進(jìn)行表面粗糙度Ra的測量，測量5次，取平均值。

圖2 加工過程圖Fig.2 The Machining Process

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。選擇主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f和切削深度ap作為影響因素[11]，分別定為因素A、B、C，各因素選擇4個(gè)水平進(jìn)行數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)，選用三因素四水平的正交表L16（43），正交試驗(yàn)因素水平表，如表1所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and Levels

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將數(shù)控加工FDM樣件的加工誤差及表面粗糙度作為考核指標(biāo)。其中，加工誤差值為（Φ后-Φ前）/2。取3個(gè)樣件的加工誤差平均值和表面粗糙度Ra平均值作為考核結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。從表2中可以看出，加工誤差均為負(fù)值，說明實(shí)際切削量比理論切削量小，主要是由于PLA作為工程塑料，具有較大的回彈性[12]。為了方便分析，將其絕對值進(jìn)行正交試驗(yàn)分析。

3.1 加工誤差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差圖，如圖3所示。工藝水平與加工誤差的關(guān)系圖，如圖4所示。其反映了數(shù)控加工工藝參數(shù)對加工誤差的影響程度。從圖3中可以看出，數(shù)控加工工藝參數(shù)對加工誤差的影響從大到小依次為：主軸轉(zhuǎn)速＞切削深度＞進(jìn)給速度。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析Fig.3 The Range Analysis of Experimental Results

圖4 工藝水平與加工誤差關(guān)系圖Fig.4 The Curves of the Level-Machining Error

從圖4中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，加工誤差呈先減小后增大，最后減小的趨勢。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=600r/min時(shí)，加工誤差最??；當(dāng)n=800r/min時(shí)，加工誤差最大。分析認(rèn)為，這主要與FDM成型件的成型工藝有關(guān)。3D打印時(shí)，成型件每一層厚的外圈有一層實(shí)心層（寬度為0.3mm），實(shí)心層內(nèi)部則是由若干條相同寬度的填充線平行排布且相互連接。相鄰層則為相互垂直分布。當(dāng)一定主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，條層切削厚度正好處于條層之間，使得切削力最小，從而得到最高精度。加工誤差隨切削深度的減小而減小，當(dāng)切削深度小于1mm時(shí)，加工誤差趨于平緩。這是因?yàn)殡S著切削深度的增大，切削力顯著增加，從而影響到塑件的加工誤差。對于影響程度較小的進(jìn)給速度，從圖3可以看出，隨著進(jìn)給速度的增加，加工誤差先增大然后逐漸減小，但加工誤差的變化程度最小。

3.2 表面粗糙度

工藝水平與表面粗糙度的關(guān)系圖，如圖5所示。其反映了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度對表面粗糙度的影響趨勢。結(jié)合圖3和圖5可以看出，數(shù)控加工工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響從大到小依次為：進(jìn)給速度＞切削深度＞主軸轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)樗芗砻娲植诙戎惦S進(jìn)給速度的增加而增加，因此加工時(shí)應(yīng)選擇合適的進(jìn)給速度和切削深度。提高主軸轉(zhuǎn)速可以縮短切削時(shí)間，提高生產(chǎn)率，且切削力不會增大，塑件表面粗糙度也幾乎不受主軸轉(zhuǎn)速的影響。

圖5 工藝水平與表面粗糙度關(guān)系圖Fig.5 The Curves of the Level-Surface Roughness

從圖5中可以看出，表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的減小而逐漸減小，變化趨勢與理論一致。隨著切削深度的減小，表面粗糙度先逐漸增大然后減小。因?yàn)閷?shí)際加工過程中，在一定的條件下條層的切除厚度適應(yīng)于條層的寬度。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，其表面粗糙度先增大，然后逐漸減小并趨于平緩。當(dāng)n=400r/min時(shí)，表面粗糙度最小，當(dāng)n=600r/min時(shí)，表面粗糙度最大。

3.3 最佳工藝選擇

結(jié)合圖3和圖4可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為600r/min，切削深度為0.4mm，進(jìn)給速度為0.1mm/min時(shí)，能夠獲得最小的加工誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其加工件的加工誤差達(dá)到0.01mm，比16次正交試驗(yàn)中所獲得的加工誤差均要小。即在加工誤差最優(yōu)的情況下，最佳的加工工藝組合是A2C4B4。結(jié)合圖4和圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)給速度為0.1mm/min，切削深度為0.4mm，主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，能夠獲得最小的表面粗糙度。從表3中可以看出，其加工件的表面粗糙度達(dá)到1.824μm。即在表面粗糙度最優(yōu)的情況下，最佳的加工工藝組合是B4C4A1。

4 結(jié)論

（1）數(shù)控加工作為后處理的一種方式可以有效提高FDM工藝成型件的精度。（2）數(shù)控加工參數(shù)對加工誤差的影響從大到小依次為：主軸轉(zhuǎn)速＞切削深度＞進(jìn)給速度。對表面粗糙度的影響從大到小依次為：進(jìn)給速度＞切削深度＞主軸轉(zhuǎn)速。（3）較小的進(jìn)給速度和切削深度可以得到最小的加工誤差和最小的表面粗糙度。當(dāng)ap=0.4mm，f=0.1mm/min時(shí)，n=600r/min時(shí)獲得的表面加工誤差最??；當(dāng)n=400r/min時(shí)，表面粗糙度最小。