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增材制造复杂金属件需要哪些抛光技术?
2023年01月13日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:526
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近年来,增材制造的使用率越来越多。这种基于堆积离散原理,在软件和数控系统控制下以高能束为热源将丝材/粉末材料熔化逐层堆积成形的制造工艺,由于无需传统道具和夹具以及多道加工工序,还能显著提高原材料的使用率,减少加工时间和成本,因此受到了业界的普遍欢迎。

激光沉积过程

激光沉积过程

不过随着制造能力的提高,业界也对增材制造件等复杂型面结构件表面抛光质量、抛光要求等都提出了更高的要求。对于结构简单的零件,大多还可以只用机加工进行处理;但对于结构复杂的金属粉直接成型件、修复件、精密铸造件等,如果只用机加工处理,由于表面粗糙度较大,是无法直接应用的。

经后处理的零件表面效果

经处理后的零件表面效果

航空航天领域中的涡轮叶片、燃油喷嘴、燃烧室导流衬套、飞机机舱隔板等,都是采用增材制造技术成形,并获得工程应用的典型零件。航空航天零件的设计与制造最大的挑战就是在确保一定的强度和性能的前提下优化重量,主要靠的就是仿生拓扑优化设计技术——在不损失力学性能的前提下,重量可减轻多达70%(结构中含有通道、多孔、栅格等设计)。但这些复杂构件的内表面的表面质量往往都很差,会制约其在航空航天领域的广泛应用。


总之,为了让增材制造能真正用于实际,能提高表面质量和光洁度的抛光处理是生产中必不可少的环节,其地位和作用越来越重要。

有哪些抛光工艺可选?

目前,传统的机械表面抛光技术(铣削、喷砂、振动磨削和微加工等)已经发展得相当成熟,可实现自动化高效抛光效果,但它们在处理复杂结构内表面上很难取得很好的效果。因此业界又研发出了适用于复杂金属结构上的化学、电化学、磨粒流和激光抛光等非传统表面抛光方法,以下是这些抛光工艺的详情。

增材制造表面抛光技术发展过程

增材制造表面抛光技术发展过程

一、传统表面抛光技术

手工抛光质量很大程度上取决于操作者的经验,重复性和一致性差,人工和时间成本高,并且抛光过程中产生的粉尘对人体健康有害。此外,喷砂主要是为了让表面质量更均匀,它和CNC磨削对内表面复杂、多孔结构的零件加工可达性较差,因此一般用于零件外表面的清洁和抛光以及去除氧化层。

二、非传统表面抛光技术

1、化学抛光

化学抛光(Chemical Polishing,CP)是在合适的化学试剂作用下使得试样表面选择性溶解凹凸不平区域的不规则表面、浸蚀整平的一种方法。粗糙表面凸起部位优先溶解,在溶解过程中氧化膜生成和溶解同时存在,但溶解速率有差异。

化学抛光过程中不同类型表面缺陷溶解顺序

化学抛光过程中不同类型表面缺陷溶解顺序

化学抛光有时会造成抛光后零件表面质量更差的现象,因为零件近表面的内部缺陷在抛光后都出现在表面导致表面粗糙度变大。对于这种情况在化学抛光前引入热处理、热等静压可以有效去除内部缺陷。

2、电化学抛光

电化学抛光(也称电解抛光)是指在一定电解液中被抛光工件连接阳极,发生有选择性溶解,同时在金属表面会发生氧化膜的生成和溶解,从而降低其表面粗糙度、提高光亮度的表面抛光技术。电解抛光后的表面粗糙度与电解液成分、温度、抛光时间、阳极电流密度等密切相关。

电化学抛光原理

电化学抛光原理

3、磨粒流抛光

磨粒流抛光(Abrasive Flow Machining,AFM)最早由美国Extrude Home公司为航空航天领域合金零件的表面处理开发的精准可控的超精密流体抛光技术,是以具有一定粘性的流体作为载体,携带硬质颗粒,形成流体磨料,利用其流动性在一定压力下流过被加工表面,从而对零件表面进行加工的一种方法。其原理如图所示。

磨粒流抛光原理图

磨粒流抛光原理图

在一定压力下黏弹性磨粒作为可随形变化的加工刀具不断往复流经被加工表面,从而完成对零件待加工表面的抛光加工。磨粒流抛光技术对于“阶梯效应”产生的粗糙表面的抛光效果很好,磨粒粒径和浓度、加工循环次数、增材制造方向等都是影响抛光过程中材料去除率的重要因素。

复杂结构零件的磨料流抛光效果

复杂结构零件的磨料流抛光效果

4、激光抛光

激光抛光(Laser Polishing,LP)原理如图所示,通过控制激光光束直径、照射在表面上的时间、激光功率等工艺参数控制能量密度的输入,使零件表面材料重新融化并在重力和熔池表面张力的作用下快速冷凝成光滑的表面。激光抛光是微观层面上的快速熔化和凝固的过程,激光束能量必须足以融化粗糙表面的波峰,但不能超过波谷的深度。一旦参数设置的不合理,能量密度过高造成更深层材料的熔化会导致粗糙度的增加。

激光抛光原理图

激光抛光原理图

三、复合抛光技术

由于航空航天领域对增材制造零件的使用要求越来越高,因此普通单一的抛光方法效果往往都不尽如人意,因此近年来也相继出现引入超声波、磁场、脉冲等技术辅助抛光以进一步提高表面质量和光洁度。

另外,将多种抛光技术混合起来也是主要趋势,如化学-机械抛光、电化学-机械抛光、化学-电化学抛光、化学-磨粒流抛光、磁场电化学抛光等。这种做法既可以利用不同的抛光加工工艺的优点,又避免了单一抛光加工工艺的局限性,在精确控制高精度的同时提高加工效率。这种复合抛光技术必将是航空航天等领域中复杂零件的超精密加工的发展趋势之一。

结语

以上就是适用于增材制造复杂金属件的抛光工艺的简单总结。另外,高质量的表面抛光技术离不开相应的高性能的设备,因此开发智能化表面抛光装备也是解决金属增材制造零件所具有的形状复杂难以抛光问题的重要突破口。

 

资料来源:

姚燕生,周瑞根,张成林,等. 增材制造复杂金属构件表面抛光技术[J]. 航空学报,2022,43(4):237-249.


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