【摘 要】
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选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术是基于激光与粉末的增材制造技术中一种重要的典型工艺类型。该技术成形构件精度高,对特殊复杂结构制造的适用范围广,为高性能复杂结构件的高效率、低成本、精确成形制造提供了一体化的解决方案,在航空航天、交通能源、现代工业等领域具有广阔的应用及发展前景。但因该技术在成形过程中粉末逐层叠加和激光熔化的工艺特点,使其成形件的表面质量难以满
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目:CBN/铁基球形复合磁性磨粒制备机理及其难加工材料曲面光整性能研究,项目批准号:51675316；
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选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术是基于激光与粉末的增材制造技术中一种重要的典型工艺类型。该技术成形构件精度高,对特殊复杂结构制造的适用范围广,为高性能复杂结构件的高效率、低成本、精确成形制造提供了一体化的解决方案,在航空航天、交通能源、现代工业等领域具有广阔的应用及发展前景。但因该技术在成形过程中粉末逐层叠加和激光熔化的工艺特点,使其成形件的表面质量难以满足使用性能要求,因此对成形件的表面进行后续光整加工尤为重要。磁力光整加工（Magnetic Abrasive Finishing,MAF）技术作为一种先进的光整加工工艺,因其具有的柔性、自适应性等诸多优点,适应于各类复杂曲面的研磨抛光。因此,本文采用磁力光整加工技术,将其固有的柔性研磨优势应用于SLM成形零件曲面样件表面的光整加工中,研究MAF在SLM成形的复杂曲面零件表面的加工工艺、表面材料去除机理和表面质量,研究其工艺规律,并将其应用于工程实际中。本文的主要研究工作和创新点如下:1.AlSi10Mg合金SLM曲面样件成形研究以AlSi10Mg合金粉末作为曲面样件的成形粉体材料,依据航空发动机叶片结构形状要求,设计出AlSi10Mg合金曲面样件三维数据模型,利用Materialise magics软件对成形参数进行优化设置,选用正方体为样件支撑结构体,样件表层与内部激光熔化参数采用分层设置,选用具有较高硬度和较低粗糙度的熔化参数作为样件外层扫描参数,同时将致密性较高的熔化扫描参数作为样件内部成形参数,通过SLM?125HL成形机最终加工出表面硬度和致密性较高的AlSi10Mg合金曲面样件。2.AlSi10Mg合金SLM曲面样件磁力研磨永磁极研制根据AlSi10Mg合金SLM成形曲面样件尺寸形状及材料特性,利用comsol仿真软件,以30°为开槽角度跨度配以多种几何开槽形状设计出6类磁极三维仿真模型。探索适合研磨样件材料的永磁极研磨刷形状尺寸参数,最终通过仿真分析及理论计算发现磁场强度及磁场梯度密度随开槽后留存几何面棱角角度的减小而增加,且在棱边集中的尖角处取得最大值。并以N35稀土烧结永磁材料设计出宽高比为1:0.5的75°梯形开槽平头及球头永磁极。将所设计磁极与矩形开槽磁极进行磁场强度对比测试,最终测得所设计磁极磁场强度相对较高,可提供更大的研磨力。3.AlSi10Mg合金SLM成形曲面样件磁力光整加工研究基于NK7136C数控铣床平台,将主轴末端刀柄结构改装成可装夹研磨磁极的夹具装置;在工作台上增加以Ardunio板为控制单元的分度夹具回转工作台,构建曲面磁力研磨试验系统,实现3联动轴+1分度轴的4轴曲面研磨试验台。分析单颗磨粒去除机理,同时根据样件曲面形状设计出以75°梯形开槽平头磁极为研磨磁极的粗研磨轨迹路径及以75°梯形开槽球头磁极为研磨磁极的精研磨路径设计。选用雾化快凝法制备的磨粒相粒径为W7的球形Al2O3磁性磨料,通过27组正交试验对主轴转速、进给速度、研磨间隙及磨料用量等重要研磨工艺参数进行优化分析,同时根据极差分布得出各因素对样件研磨的影响比重顺序。4.磁力研磨AlSi10Mg合金SLM成形样件表面质量检测分析通过对样件研磨前后的表面粗糙度、表面形貌、维氏硬度及亲、疏水性进行检测分析,发现样件表面粗糙度随加工时间的增加而降低,最终表面粗糙度Ra值达到0.279μm。样件表面形貌由未研磨的沟壑纵横状态经研磨过后呈现平坦光整状态。同时发现研磨前后样件的维氏硬度并无较大变化,始终以126.7HV0.5为基线上下波动。而样件表面与去离子水的接触角由研磨前的θ=1.6°增加到θ=61.3°,使样件疏水性能由超亲水性表面转变为亲水性表面。本文以AlSi10Mg合金SLM成形曲面为磁力研磨对象,通过对永磁研磨刷的研制、4轴研磨试验台的搭建、研磨工艺的设计及研磨参数的优化,最终使AlSi10Mg合金SLM成形曲面样件表面质量得到大幅度提升,为MAF技术在SLM成形AlSi10Mg合金曲面零件的光整加工中提供了试验数据及工艺参考。
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