楊亮，劉小銘

大連交通大學機械工程學院

1 引言

ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料共聚物)材料作為一種常用于熔融沉積成型(FDM)工藝的熱塑性材料，其力學性能穩(wěn)定、無毒以及加工性好，在眾多成型材料中被廣泛應用在汽車以及電子電器等工程領域[1]。增減材制造是隨著第三次科技革命誕生的加工方式，這一加工方式既擁有增材制造可以加工更復雜零件并縮短制造周期的優(yōu)勢，也擁有減材制造加工精度高的優(yōu)點。

國內外學者在這方面做了一些研究，Rodrguez J.F.等[2]實驗研究了基于FDM成型后ABS零件的機械性能，得出材料強度受到孔隙率的影響，孔隙率使成型后零件的強度低于ABS單絲。Dawoud M.等[3]通過實驗發(fā)現，成型間隙為負時可提高成型后零件的機械強度，通過設定合適的成型參數可使成型后的零件強度接近注塑成型的零件強度。Domingo Espin M.等[4]和Zou R.等[5]研究發(fā)現，成型角度不同會對彈性模量造成影響，繼而提出打印后零件的彈性本構為各向異性(橫向各向同性)的觀點，并計算了不同打印角度的ABS材料主軸和橫斷面的彈性模量及泊松比。馬東[6]對ABS材料等常見塑料的車削性能進行了研究，得出了車削熱塑性材料時背吃刀量、車削速度、進給量和刀具前后角的最佳組合。在眾多研究中，對于FDM打印后呈現各向異性的ABS材料的車削參數研究較少。張德遠等[7]等對超聲輔助加工技術進行了研究，得出超聲加工技術可降低切削力，提高表面質量，提升加工效率。

綜上所述，目前對FDM成型后ABS材料的研究大多局限于FDM成型工藝和材料的機械強度，對于ABS材料的增減材混合加工研究較少，尤其對FDM成型后ABS材料超聲振動切削研究未見報道。本文主要對FDM成型后的ABS材料進行超聲振動切削實驗，分析FDM成型后原始材料的表面質量，制定實驗流程，并通過SEM掃描電鏡觀察車削后材料的表面形貌特征。

2 FDM成型后ABS材料表面質量

影響FDM成型后ABS材料表面質量的工藝參數較多，主要有層厚引起的臺階效應、噴嘴直徑和溫度、環(huán)境溫度、填充速度、擠出速度以及絲料寬度和性能等，這些因素都會造成成型時間或質量的明顯偏差[8]。

在這些參數中，系統(tǒng)的分層厚度d和成型角度α對表面質量的影響較大。因此，在原始的三維模型切片時會產生多個不連續(xù)的二維平面，在實際成型過程中易造成實體表面產生臺階現象，即階梯誤差。圖1為不同分層厚度產生的臺階效應。

圖1 不同分層厚度產生的臺階效應

使用BLUEMAKER藍模3D打印機，選取0.1mm，0.2mm和0.3mm三種分層厚度以及0°，30°，45°，60°和90°五種成型角度的樣件進行表面質量研究。表面粗糙度數據結果如圖2所示(表面粗糙度檢測裝置為TR210型手持式粗糙度儀)，不同分層厚度及成型方向的成型樣件如圖3a所示，圖3b、圖3c和圖3d是在不同厚度條件下的局部放大圖，放大倍數為415倍。

由圖2可知，當FDM成型后樣件的分層厚度為0.1mm時，表面粗糙度最低，其次是0.2mm，分層厚度為0.3mm時，表面粗糙度最高，樣件的表面粗糙度隨成型角度的增大而升高。整體來看，該工藝條件下樣件的表面粗糙度Ra最低為10.995μm，遠大于傳統(tǒng)切削加工的表面粗糙度值。

圖2 FDM成型后ABS材料表面粗糙度曲線

由圖3可以看到，當分層厚度從0.1mm上升到0.2mm時，料絲之間的間隙開始增大，樣件表面有明顯的凹凸狀階梯。在相同放大倍數下，條狀纖維和間隙個數逐漸減小，纖維和層間間隙的尺寸逐漸增大，表面質量逐漸降低，與成型理論中的臺階效應一致。

圖3 不同分層厚度條件下的局部放大及成型樣件

3 超聲振動切削實驗系統(tǒng)

由上述分析可知，通過FDM成型后的ABS材料精度較低、表面質量較差，難以滿足對精度要求高的場合。為了解決這一缺陷，采用增減材混合加工的方法對FDM成型后的ABS材料進行超聲振動切削加工，以提高表面質量。數控車床型號為CK0640D，主軸轉速為100～4000r/min，控制精度為1μm。采用SDJCR2020K11硬質合金外圓車刀，車削時刀具前角為10°，后角為7°。圖4為搭建的振動切削實驗平臺。

圖4 超聲振動切削實驗平臺

4 材料表面粗糙度結果分析

為優(yōu)化實驗方案，采用多因素正交實驗方法對FDM成型后ABS材料的表面質量進行研究。具體參數如表1所示。正交實驗表及極差分析見表2和表3。

表1 超聲車削加工三要素

表2 超聲車削加工正交實驗

表3 極差分析

由表2可以看出，隨著背吃刀量的增大，已加工材料的表面粗糙度呈增大趨勢；車削時，背吃刀量的增大會使切削力提高；進給量的總體變化趨勢與背吃刀量相似，加工后的表面粗糙度變化較為明顯；與背吃刀量和進給量相比，車削速度變化相對較小。在超聲振動切削中，由于車削速度控制在超聲車削的臨界范圍內，刀具與工件之間進行了有規(guī)律的間歇性接觸—分離，這一加工特點有效降低了切削溫度，解決了普通車削時因轉速過高所造成的材料受熱軟化和涂抹現象。

由表3可計算實驗中每個因素的粗糙度值。將每個因素的最大值減去最小值，求得對應因素的極差R，極差越大，所對應的因素影響越重要。因此，由上述極差排序可知，各因素影響程度為進給量f>背吃刀量ap>車削速度n。

5 材料表面微觀形貌研究

為進一步從微觀上研究加工表面的特征，分別在普通車削和超聲振動切削條件下進行對比分析(見圖5)。

圖5 ABS材料(SEM)微觀與宏觀形貌

圖5a和圖5b為FDM成型后原始表面形貌的微觀與宏觀形貌。可以清晰地看出打印時每條纖維層的鋪設堆疊，層與層之間最大有500μm左右的明顯間隙；由于間隙和階梯效應的存在，造成表面質量較差，也很好地解釋了表面粗糙度值較大的原因。

圖5c和圖5d是轉速300r/min，進給量0.1mm/r，背吃刀量0.1mm時在普通車削條件下加工的表面微觀與宏觀形貌。由微觀形貌可清楚看出，表面較為緊湊，原始打印的缺陷幾乎消除，但每條刀痕均在材料表面清晰可見，表面偶爾產生由于粘刀等原因造成的脫粘撕裂和材料殘余，此時的表面粗糙度Ra為2.56μm。

圖5e和圖5f是采用超聲振動切削加工所得到的表面微觀與宏觀形貌，與圖5c和圖5d對比可以看出，兩種不同加工方式下的表面都會有一定程度的缺陷，如有無規(guī)則的刀痕或脫粘撕裂等。

從圖5e可以看出，相比于普通車削，超聲振動切削方式在表面留下的刀痕較淺，避免了出現較大的層間撕裂，也不會產生較高的切削溫度而使材料軟化和切屑的涂抹，材料的表面粗糙度Ra達到1.21μm。這是因為在超聲輔助車削的過程中，刀具與工件進行了有規(guī)律地間歇性接觸和分離，降低了車削力，并充分減少了車削熱，使車削過程更加平穩(wěn)。

6 結語

(1)通過分析現有的FDM成型后ABS材料的特點，選擇分層厚度和成型角度兩個影響表面質量較大的因素進行了實驗研究。在該工藝下，加工出的材料表面質量較差，此時的表面粗糙度Ra僅為10.995μm。

(2)采用增減材混合加工方式，通過超聲振動切削來提高ABS材料的表面質量。由超聲振動切削實驗分析可知，材料整體的表面質量優(yōu)于普通車削；在車削三要素中，影響程度依次為進給量f>背吃刀量ap>車削速度n。

(3)在微觀表面形貌中，相比于普通車削，超聲振動切削加工后的表面刀痕變淺，大幅減少了層間撕裂和切屑的涂抹，有效避免了在FDM成型時原有間隙和階梯效應的影響。