从磨削到精加工： 增材制作的后处理解决方案

增材制作在航空航天和医疗商场的广泛运用促使人们不断进步对精加工增材部件外表的要求，以满意终究运用需求。增材制作工艺能够生产出接近终究形状的组件，显着下降了终究精加工的需求。经过增材制作，能够下降资料浪费率，有利于整体制作工艺，可是这也意味着后续的精加工进程对后处理技能和一致性的要求越发严苛。因此，需保证后处理的一致性，满意部件公役和外表质量要求。在对公役和外表提出更高要求的运用中，磨削能够是增材制作的另一个有用挑选。与其他传统资料去除工艺比较，磨削得到的外表质量和完整性更好。为了进一步了解增材制作的精加工，尤其是运用于航空航天业中的镍基高温合金部件时，Norton|Saint-Gobain公司的工程师对选用增材制作的Inconel 718样品进行了精磨削研讨。研讨首要环绕3个问题打开：需求从增材制作的部件上磨掉的最低资料量/体积是多少？运用最新一代的砂轮对增材制作的部件进行磨削能够到达怎样的外表光洁度？第三，精磨削对增材制作组件的外表剩余应力（如有）有什么影响？

图1 磨削前的AM Inconel 718测验样品

选用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制作的AM IN718样品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。图1所示为增材制作测验样品。增材制作后，对样品进行介质喷砂处理，完后消除应力。接着是热等静压、固溶处理/退火和沉淀硬化处理。样品硬度为40 HRC。然后运用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技能中心的Magerle MFP-125.50.65间歇进给磨削机上的Norton NQX60E24VTX2砂轮进行样本磨削，图2和图3所示为测验设置。

图2 整机设置

图3 设备特写

首先，逐渐加大切削深度，进行几个区域的磨削，确认需求铲除的最小资料量后，对增材制作的外表进行处理。之后按照规则的切削深度进行磨削，然后检查外表是否存在显着缺陷。图4所示为实验期间部件整理后的样品图片。根据实验成果，为了消除增材制作进程中产生的一切几许不一致性和外表缺陷，需求从组件中去除大约0.30～0.45mm的资料。

图4 部分磨削后的AM Inconel 718测验样品

本次测验选用的磨削长度为50.8mm，砂轮直径为462mm，工作速度为23m/s。总共对五个的资料去除率（MRR）进行了测验，范围为0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。经过更改进给速度（mm/min）或切割深度（mm）调整资料去除率。对多个资料去除率进行了测验，以评价中低资料去除率对外表光洁度和磨削能力的影响。虽然能够运用现代工程磨料以较高的去除率对镍基合金（例如Inconel 718）进行磨削，但根据现在工业上用于精加工规范Inconel工件的规范精加工率，本研讨挑选了较低的资料去除率。以规范（非增材制作）工件磨削为例，预期成果是，随着资料去除率的添加，磨削功率添加，磨削后的工件外表光洁度（Ra）将添加或外表会变得更粗糙。

磨削前后，选用联邦触摸轮廓仪体系5000丈量工件的外表光洁度，丈量点包含工件上的多个方位和两个方向（图5a和图5b）。此外，还在多个方位进行了非触摸轮廓仪外表丈量。

图5a 外表光洁度丈量方向（平行于磨削方向）

图5b 外表光洁度丈量方向（笔直于磨削方向）

磨削前，对增材制作资料的外表光洁度进行评价后发现，在不同丈量方向上，光洁度存在很大差异。纵向丈量时，均匀光洁度为3.3微米Ra；横向丈量（图5b）时，均匀光洁度为2.1?mRa。而在丈量规范铸态Inconel 718资料时，不会出现这种显着差异。这种差异似乎与3D制作办法有关，可是现在尚不清楚切当原因。

选用触摸轮廓仪丈量磨削后外表光洁度的惯例办法是笔直于磨削线，而不是平行于磨削线。本次研讨中，在平行于磨削线和笔直于磨削线两个方向上丈量了外表光洁度。然后将磨削后的丈量成果与磨削前的纵向和横向丈量成果进行比较。

要点在于，沿着笔直于磨削线的方向进行丈量磨削后的外表时，测针会跳过磨削线的波峰和波谷。而在平行方向上进行丈量时，测针平行于磨削线移动，永远不会跳过峰谷。因此，果然如此，本次研讨中，笔直丈量得出的（粗糙）外表光洁度显着高于平行方向的丈量成果。

磨削前后对增材制作资料的外表光洁度进行评价后发现，不同丈量方向的光洁度存在显着差异。本次研讨中，选用平行于磨削线和笔直于磨削线两个方向上进行外表光洁度丈量，成果的确存在显着差异。在平行方向上丈量时，磨削前，均匀外表光洁度为3.3?mRa，研磨后为0.21?ma。在笔直方向上丈量时，磨削前，均匀外表光洁度为2.1?mRa，研磨后为0.5?mRa。

此外，还选用了Nanovea 3D外表轮廓仪和白光色差技能对增材样品进行了剖析，将外表特征以视觉化办法呈现出来。在本次测验中，收到增材制作样品后，选用玻璃介质对其进行介质喷砂处理，除去外表凸起的部分。磨削后在外表上能够看到的线条是磨削操作留下的线条。能够运用较细磨料粒度的砂轮或其他打磨产品，例如工程类磨带，进一步减少外表线条，构成超级精密的外表，条件是这点对于组件的功能和质量而言至关重要。

为了进一步了解磨削对AM IN718样品整体外表完整性的影响，选用Bruker-AXS D8 Discover微衍射设备，在收到和磨削样品后，进行了外表剩余应力丈量。对两种状态下同一样品6个不同方位的丈量成果进行比较后发现，在两种条件下近外表剩余应力均为负值/存在压缩力。这种情况首要发生在精磨削后的组件上，其近外表剩余应力具有压缩性，可推迟外表裂纹分散，进步疲惫寿数。

本次研讨期间，按照5个资料去除率对磨削功率进行了丈量。随着资料去除率的添加，磨削功率也随之添加。这种行为存在于大多数磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率时，磨削期间的峰值功率为1.4kW。而在3.9mm3/sec./mm的最高资料去除率下，磨削功率为10.8kW。

本次研讨的成果证明，对增材制作的镍基合金（比方Inconel 718）进行精磨削能够将外表的粗糙度下降近94%（平行于磨削线）或34%（笔直于磨削线）。能够根据要求，运用磨料粒度更精密的砂轮或其他打磨产品，比方工程类磨带获得超精密外表。此外，成果还标明，为了进步外表精密度，需从组件上去除0.30～0.45mm的资料，并铲除去一切与3D制作进程相关的几许不一致性。对于增材制作商而言，最低去除率是要害信息，由于他们一直在努力以最具成本效益的办法让增材制作组件尽可能到达近净形状。此外，剩余应力数据显现，磨削后的外表应力具有压缩性，能够推迟外表裂纹扩展，从而延伸所制作的组件的疲惫寿数。