3D 打印的金属零件通常只剩下很少的用于精加工的库存。磨削可能是满足最终公差的有效解决方案。一家磨料技术提供商研究磨削作为增材制造的补充。

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航空航天和医疗市场对增材制造 (AM) 的使用增加,促进了对增材零件表面进行精加工以满足最终应用要求的需求。由于增材制造工艺能够生产接近最终形状的部件,因此通常很少有库存可用于提供最终成品。这通过减少浪费而有利于整个制造过程,但这也意味着后续的精加工过程对后处理错误和不一致的空间有限。因此,后处理需要在实现零件公差和表面质量方面保持一致。本文将证明,当需要精密公差和更精细的光洁度时,磨削为增材制造提供了一种有效的选择。与铣削和车削等其他传统材料去除工艺相比,磨削通常具有最佳的表面质量和表面完整性特征。为了更深入地了解增材制造的精加工,特别是它可能适用于航空航天中使用的镍基高温合金部件,诺顿 | 的工程师 | Saint-Gobain 对添加剂制成的 Inconel 718 试样进行了精磨研究。工程师们正在寻找三个相关问题的答案:诺顿工程师 | Saint-Gobain 对添加剂制成的 Inconel 718 试样进行了精磨研究。工程师们正在寻找三个相关问题的答案:诺顿工程师 | Saint-Gobain 对添加剂制成的 Inconel 718 试样进行了精磨研究。工程师们正在寻找三个相关问题的答案:

  • 增材制造组件需要磨削的最小库存/体积是多少?
  • 用最新一代的砂轮磨削增材制造的部件可以获得什么范围的表面光洁度?
  • 精磨后对增材制造部件表面残余应力的影响(如果有)是什么?

使用直接金属激光烧结 (DMLS) 工艺制造的 AM IN718 样品来自 Stratasys Direct Manufacturing。图 1 显示了 AM 测试样本的图像。在增材制造之后,这些试样经过介质喷砂处理,并经过应力消除、热等静压、固溶处理/退火和沉淀硬化。表 1 显示了使用的热处理参数。样品的硬度测量为 40 HRC。然后使用 Norton NQX60E24VTX2 砂轮在位于 Norton | 的 Magerle MFP-125.50.65 蠕动进给研磨机上研磨样品。圣戈班希金斯磨削技术中心。图 2 和图 3 显示了测试设置的图片。

首先,以逐渐增加的切削深度研磨几个区域,以确定需要去除以清理增材制造表面的最小库存。在每次以特定切削深度进行磨削后,观察表面是否存在视觉缺陷。图 4 显示了在这一系列试验中部分清洁的样本图像。试验结果确定,为了消除与增材制造工艺相关的任何几何不一致和表面缺陷,需要从组件中去除大约 0.30 至 0.45 毫米的毛坯。

对于该测试,磨削长度为 50.8 mm,砂轮直径为 462 mm,运行速度为 23 m/sec。(见表 2)。表 2 和表 3 记录了研究中使用的测试细节和研磨条件。总共测试了五种特定材料去除率 (MRR),范围从 0.1 mm 3 /sec./mm 到 3.9 mm 3/sec./mm(见表 3)。通过改变进给速度 (mm/min.) 或切削深度 (mm) 来调整 MRR。测试了多种材料去除率,以评估中低 MRR 对表面光洁度和磨削功率的影响。虽然镍基合金(如 Inconel 718)可以使用现代工程磨料以高去除率进行研磨,但根据目前工业过程中用于精加工标准 Inconel 工件的典型精加工速率,本研究中选择的 MRR 较低。基于标准(非AM)工件的磨削,预期结果是随着MRR的增加,磨削工件的表面光洁度(Ra)会随着磨削功率的增加而增加或变粗。

使用 Federal Contact 轮廓仪系统 5000 在磨削前后测量工件的表面光洁度。在工件上的多个位置和两个方向上进行测量(图 5a 和 5b)。还在多个位置进行了非接触式轮廓仪表面测量(图 6)。

磨削前对 AM 材料表面光洁度的评估发现,根据测量方向的不同,它存在很大差异(如图 7 和图 8 比较所示)。纵向测量时(图 5a),平均光洁度为 3.3 微米 Ra,而当横向测量时(图 5b),平均光洁度为 2.1 微米 Ra。在测量标准铸态 Inconel 718 材料时,通常不会观察到这种巨大差异。这似乎与 3D 制造方法有关,但目前尚不清楚确切原因。

使用接触式轮廓仪测量磨削表面光洁度的传统方法采用垂直于磨削线的轨迹,而不是平行于磨削线的测量。这项研究测量了与磨削线平行和垂直方向的表面光洁度。然后将研磨后的结果与研磨前的纵向和横向测量结果进行比较,如图 7 和 8 所示。

重要的是要了解,当在与磨削线垂直的方向上测量地面时,测针会在磨削线的波峰和波谷上移动。而在平行方向测量时,测针平行于磨削线移动,从不跨越峰谷(图 6)。因此,与在平行方向进行的测量相比,本研究中进行的垂直测量具有显着更高(更粗糙)的表面光洁度结果,正如预期的那样(图 7 和 8)。

对磨削前与磨削后的 AM 材料表面光洁度的评估发现,磨削显着改善了表面光洁度。这对于平行和垂直方向的测量都是正确的。在平行方向测量时,平均表面光洁度在研磨前为 3.3 微米 Ra,研磨后为 0.21 微米 Ra(图 7)。当垂直于磨削方向测量时,表面光洁度在磨削前平均为 2.1 微米 Ra,在磨削后低至 0.5 微米 Ra(图 8)。

还使用 Nanovea 3D 表面轮廓仪、白光色差技术分析添加剂样品,以获得表面特征的视觉表示。 图 9 是磨削前、“原样”状态和磨削后的 AM 试样的 3D 表面图。对于该测试,“原样”条件下的 AM 样品用玻璃介质进行介质喷砂,以去除表面的高峰值。磨削后在曲面图上可见的线条是磨削操作的铺设线。如果这是对组件性能和质量的关键要求,则可以使用具有更细磨粒或其他磨料产品(例如工程砂带)的砂轮来进一步减少捻线并产生超精加工表面。

为了了解磨削对 AM IN718 试样整体表面完整性的影响,使用 Bruker-AXS D8 Discover 微衍射设备在“原样”条件下以及磨削后测量 AM 试样的表面残余应力。比较在同一试样的六个不同位置在两种条件下进行的测量(图 10)证明,在“原样”和“研磨后”条件下,近表面残余应力均为负/压缩。这是精磨后部件的典型特征,其中发现近表面残余应力本质上是压缩应力,这种效应往往通过延缓表面裂纹扩展来延长疲劳寿命。

测量了本研究中测试的所有五种材料去除率的研磨功率。图 11 显示,随着 MRR 的增加,研磨功率也增加。这种行为是大多数磨削操作的典型特征。在 0.1 mm 3 /sec./mm 的最低速率下,研磨期间的峰值功率消耗为 1.4 kW。在3.9 mm 3 /sec./mm的最高材料去除率下,研磨功率为10.8 kW。

这项研究的结果证明,对增材制造的镍基高温合金(如 Inconel 718)进行精磨,在平行于磨削线测量时可成功降低约 94% 的表面粗糙度,在平行于磨削线测量时可降低约 34%。垂直于研磨线测量。如果需要,可以使用具有更细磨粒或其他磨料产品(例如工程砂带)的砂轮来生成超精加工表面。它还表明,需要从组件中去除大约 0.30 到 0.45 毫米的毛坯,以产生改进的表面光洁度并清理与 3D 制造过程相关的任何几何不一致。最低库存要求对于增材制造商来说是至关重要的信息,因为他们努力使增材制造组件尽可能接近净形状以具有成本效益。此外,残余应力数据表明,磨削后的表面应力本质上是压缩应力,这表明对延缓表面裂纹扩展具有有益影响,从而延长制造部件的疲劳寿命。

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