3D打印的金屬部件后期精加工工作量很低，磨削有潛力(li)成為滿足最終公差的(de)有效(xiao)解決方案。

增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)材制造在(zai)航空航天和醫療市場的(de)(de)(de)廣(guang)泛(fan)使用(yong)促(cu)使人們不斷提高對精(jing)加(jia)工(gong)(gong)(gong)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)材部(bu)件表(biao)面的(de)(de)(de)要(yao)求，以(yi)滿(man)足最(zui)終(zhong)應用(yong)需(xu)求。增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)材制造工(gong)(gong)(gong)藝能(neng)夠生產出接近最(zui)終(zhong)形狀的(de)(de)(de)組件，顯著降低了(le)最(zui)終(zhong)精(jing)加(jia)工(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)需(xu)求。通(tong)過(guo)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)材制造，可以(yi)降低材料浪(lang)費率，有(you)利于整體制造工(gong)(gong)(gong)藝，但是(shi)這也意(yi)味著后續的(de)(de)(de)精(jing)加(jia)工(gong)(gong)(gong)過(guo)程對后處理技(ji)術和一(yi)致(zhi)(zhi)性的(de)(de)(de)要(yao)求越發嚴(yan)苛。因此，需(xu)保證后處理的(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)(zhi)性，滿(man)足部(bu)件公差(cha)和表(biao)面質量要(yao)求。在(zai)對公差(cha)和表(biao)面提出更高要(yao)求的(de)(de)(de)應用(yong)中，磨削可以(yi)是(shi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)材制造的(de)(de)(de)另一(yi)個有(you)效(xiao)選擇。

與其他傳統材料去除工藝相比，磨削得到的表面質量和完整性更好。為了進一步了解增材制造的精加工，尤其是應用于航空航天業中的鎳基高溫合金部件時，Norton|Saint-Gobain公司的工程師對采用增材制造的Inconel 718樣品進行了精磨削研究。研究主要圍繞3個問題展開：需要從增材制造的部件上磨掉的最低材料量/體積是多少？使用最新一代的砂輪對(dui)增材制(zhi)(zhi)造的(de)部件進行磨(mo)削可以達(da)到怎樣的(de)表面光潔度？第(di)三，精磨(mo)削對(dui)增材制(zhi)(zhi)造組件的(de)表面殘余應(ying)力（如有）有什么影(ying)響？

采用(yong)直接金屬激光燒結(jie)（DMLS）工藝制(zhi)造的(de)(de)AM IN718樣品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供(gong)。圖1所示為(wei)增材制(zhi)造測(ce)試(shi)樣品。增材制(zhi)造后，對(dui)樣品進(jin)行介質噴(pen)砂處(chu)理，完(wan)后消除應力(li)。接著(zhu)是熱等靜壓、固溶處(chu)理/退火和沉淀硬化(hua)處(chu)理。樣品硬度為(wei)40 HRC。然(ran)后使用(yong)Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技術中心的(de)(de)Magerle MFP-125.50.65間歇(xie)進(jin)給磨削機上(shang)的(de)(de)Norton NQX60E24VTX2砂輪進(jin)行樣本磨削，圖2和圖3所示為(wei)測(ce)試(shi)設置(zhi)。

圖1 磨削前的AM Inconel 718測(ce)試樣(yang)品

圖2 整機設置

圖3 設備特寫

首先，逐漸加大切削(xue)深度，進(jin)(jin)行(xing)幾個區域的(de)磨削(xue)，確定需要清除的(de)最(zui)小材(cai)料量后(hou)，對增(zeng)材(cai)制(zhi)造的(de)表面(mian)進(jin)(jin)行(xing)處理。之后(hou)按照規定的(de)切削(xue)深度進(jin)(jin)行(xing)磨削(xue)，然(ran)后(hou)檢(jian)查表面(mian)是否存在明顯缺陷。圖4所示為實驗期(qi)間(jian)部件(jian)(jian)清理后(hou)的(de)樣品(pin)圖片(pian)。根據實驗結(jie)果，為了消(xiao)除增(zeng)材(cai)制(zhi)造過程中產(chan)生的(de)所有幾何不一(yi)致性和表面(mian)缺陷，需要從組件(jian)(jian)中去除大約0.30～0.45mm的(de)材(cai)料。

本次測試采用的磨削長度為50.8mm，砂輪直徑為462mm，工作速度為23m/s。總共對五個的材料去除率（MRR）進行了測試，范圍為0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通過更改進給速度（mm/min）或切割深度（mm）調整材料去除率。對多個材料去除率進行了測試，以評估中低材料去除率對表面光潔度和磨削能力的影響。盡管可以使用現代工程磨料以較高的去除率(lv)對鎳基(ji)合金（例如Inconel 718）進(jin)行磨削，但(dan)根(gen)據目前工(gong)(gong)業(ye)上用于精加工(gong)(gong)標準(zhun)Inconel工(gong)(gong)件(jian)的標準(zhun)精加工(gong)(gong)率(lv)，本(ben)研(yan)究選(xuan)擇了較低(di)的材(cai)(cai)料去除率(lv)（圖4）。以標準(zhun)（非增材(cai)(cai)制造）工(gong)(gong)件(jian)磨削為例，預(yu)期結果是，隨著(zhu)材(cai)(cai)料去除率(lv)的增加，磨削功率(lv)增加，磨削后(hou)的工(gong)(gong)件(jian)表面光潔度（Ra）將增加或表面會變(bian)得更(geng)粗糙(cao)。

圖4 部分磨(mo)削后的(de)AM Inconel 718測(ce)試樣品

磨削前后，采用聯邦接觸輪廓儀(yi)系統5000測量工件的表面(mian)(mian)光潔度，測量點包括工件上的多(duo)個位(wei)置(zhi)和兩個方向（圖5a和圖5b）。此外，還(huan)在多(duo)個位(wei)置(zhi)進行了非(fei)接觸輪廓儀(yi)表面(mian)(mian)測量。

圖(tu)5(a)表面(mian)光潔度(du)測(ce)(ce)量(liang)方(fang)(fang)(fang)向(平行于磨削(xue)方(fang)(fang)(fang)向)；圖(tu)5(b)表面(mian)光潔度(du)測(ce)(ce)量(liang)方(fang)(fang)(fang)向(垂直于磨削(xue)方(fang)(fang)(fang)向)

磨(mo)削前，對增材(cai)制(zhi)造(zao)材(cai)料的表面(mian)光潔(jie)度(du)進行評估后發現(xian)，在(zai)不(bu)同測(ce)量(liang)方向(xiang)上，光潔(jie)度(du)存(cun)在(zai)很大(da)差(cha)異。縱向(xiang)測(ce)量(liang)時(shi)，平均光潔(jie)度(du)為3.3μRa；橫向(xiang)測(ce)量(liang)時(shi)，平均光潔(jie)度(du)為2.1μmRa。而在(zai)測(ce)量(liang)標準(zhun)鑄態Inconel 718材(cai)料時(shi)，不(bu)會出現(xian)這種(zhong)(zhong)顯著差(cha)異。這種(zhong)(zhong)差(cha)異似乎(hu)與3D制(zhi)造(zao)方法有關，但(dan)是(shi)目前尚不(bu)清楚確切原因。

采(cai)用接觸輪廓(kuo)儀(yi)測量磨(mo)(mo)削(xue)(xue)后表面(mian)光潔度(du)的常規方(fang)法(fa)是垂(chui)直于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)線，而不是平(ping)行于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)線。本次研究中，在平(ping)行于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)線和垂(chui)直于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)線兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)上測量了表面(mian)光潔度(du)。然后將磨(mo)(mo)削(xue)(xue)后的測量結(jie)果(guo)與磨(mo)(mo)削(xue)(xue)前的縱向(xiang)和橫(heng)向(xiang)測量結(jie)果(guo)進行比(bi)較。

重點(dian)在于(yu)，沿著垂直(zhi)于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)線的方(fang)向進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)磨(mo)(mo)削(xue)后的表(biao)面時(shi)，測(ce)針會越過磨(mo)(mo)削(xue)線的波峰(feng)和波谷。而在平行(xing)方(fang)向上進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)時(shi)，測(ce)針平行(xing)于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)線移(yi)動，永遠不會越過峰(feng)谷。因此，不出所料，本次研(yan)究中，垂直(zhi)測(ce)量(liang)得(de)出的（粗糙）表(biao)面光潔度(du)明顯高于(yu)平行(xing)方(fang)向的測(ce)量(liang)結果。

磨(mo)(mo)削前(qian)后對增(zeng)材制造材料的表面光(guang)潔(jie)度(du)(du)進行(xing)評估后發現(xian)，不(bu)同(tong)測(ce)(ce)量方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的光(guang)潔(jie)度(du)(du)存在顯著差(cha)異。本次研究中，采(cai)用(yong)平行(xing)于磨(mo)(mo)削線和垂(chui)直于磨(mo)(mo)削線兩(liang)個(ge)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)上進行(xing)表面光(guang)潔(jie)度(du)(du)測(ce)(ce)量，結果確(que)實存在顯著差(cha)異。在平行(xing)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)上測(ce)(ce)量時(shi)，磨(mo)(mo)削前(qian)，平均(jun)表面光(guang)潔(jie)度(du)(du)為(wei)(wei)3.3μmRa，研磨(mo)(mo)后為(wei)(wei)0.21μma。在垂(chui)直方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)上測(ce)(ce)量時(shi)，磨(mo)(mo)削前(qian)，平均(jun)表面光(guang)潔(jie)度(du)(du)為(wei)(wei)2.1μmRa，研磨(mo)(mo)后為(wei)(wei)0.5μmRa。

此外，還采(cai)用了(le)Nanovea 3D表(biao)(biao)面輪廓儀和(he)白光色差技術對增(zeng)材樣品(pin)進(jin)行了(le)分(fen)析(xi)，將表(biao)(biao)面特(te)征以視覺化方式呈現出來。在本次測試中(zhong)，收到增(zeng)材制造樣品(pin)后(hou)，采(cai)用玻璃介質對其進(jin)行介質噴(pen)砂處(chu)理，除去(qu)表(biao)(biao)面凸起的(de)(de)部分(fen)。磨削(xue)(xue)后(hou)在表(biao)(biao)面上(shang)可以看到的(de)(de)線條是磨削(xue)(xue)操(cao)作留(liu)下的(de)(de)線條。可以使用較(jiao)細磨料粒度的(de)(de)砂輪或其他打磨產品(pin)，例如(ru)工程(cheng)類磨帶，進(jin)一步減少表(biao)(biao)面線條，形成超級精細的(de)(de)表(biao)(biao)面，前(qian)提是這點(dian)對于(yu)組件的(de)(de)性能和(he)質量而言至關重要。

為了(le)進一(yi)步(bu)了(le)解磨削(xue)對(dui)AM IN718樣(yang)品(pin)(pin)整體表(biao)面完整性(xing)的(de)影響，采(cai)用Bruker-AXS D8 Discover微衍射設備，在(zai)收(shou)到和(he)磨削(xue)樣(yang)品(pin)(pin)后(hou)，進行(xing)了(le)表(biao)面殘(can)余(yu)應力測量。對(dui)兩種(zhong)狀態下同一(yi)樣(yang)品(pin)(pin)6個不同位置的(de)測量結果進行(xing)比較后(hou)發現，在(zai)兩種(zhong)條件下近表(biao)面殘(can)余(yu)應力均為負值/存在(zai)壓(ya)縮力。這種(zhong)情況主(zhu)要發生在(zai)精磨削(xue)后(hou)的(de)組件上，其近表(biao)面殘(can)余(yu)應力具有壓(ya)縮性(xing)，可(ke)延緩(huan)表(biao)面裂紋擴散(san)，提高疲勞壽命(ming)。

本次研究(jiu)期(qi)(qi)間，按照5個材料(liao)去(qu)除(chu)率對磨削功率進行(xing)了測量。隨著材料(liao)去(qu)除(chu)率的(de)增加，磨削功率也隨之增加。這(zhe)種(zhong)行(xing)為存在(zai)于大多數磨削操作中(zhong)。在(zai)0.1mm3/sec./mm的(de)最低(di)速率時，磨削期(qi)(qi)間的(de)峰值功率為1.4 kW。而在(zai)3.9 mm3/sec./mm的(de)最高材料(liao)去(qu)除(chu)率下，磨削功率為10.8 kW。

本次研究的(de)(de)結果證明，對增材(cai)(cai)制造(zao)的(de)(de)鎳(nie)基合(he)金（比(bi)如Inconel 718）進行精(jing)磨(mo)(mo)削可(ke)(ke)以(yi)將表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)粗糙度降(jiang)低近94％（平行于磨(mo)(mo)削線）或(huo)34％（垂(chui)直于磨(mo)(mo)削線）。可(ke)(ke)以(yi)根據要求，使用磨(mo)(mo)料粒度更(geng)精(jing)細(xi)的(de)(de)砂輪或(huo)其(qi)他打(da)磨(mo)(mo)產品，比(bi)如工程(cheng)類磨(mo)(mo)帶獲得超精(jing)細(xi)表(biao)面(mian)(mian)。此外(wai)，結果還表(biao)明，為(wei)了提高表(biao)面(mian)(mian)精(jing)細(xi)度，需從組(zu)件(jian)(jian)上(shang)去除(chu)0.30～0.45 mm的(de)(de)材(cai)(cai)料，并清除(chu)掉所有與(yu)3D制造(zao)過(guo)程(cheng)相(xiang)關(guan)的(de)(de)幾(ji)何不(bu)一致性。對于增材(cai)(cai)制造(zao)商(shang)而(er)言(yan)，最低去除(chu)率是關(guan)鍵信息，因為(wei)他們一直在努力(li)以(yi)最具(ju)成(cheng)本效益的(de)(de)方(fang)法(fa)讓增材(cai)(cai)制造(zao)組(zu)件(jian)(jian)盡可(ke)(ke)能達到近凈形狀(zhuang)。此外(wai)，殘余應力(li)數據顯示(shi)，磨(mo)(mo)削后的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)應力(li)具(ju)有壓縮性，可(ke)(ke)以(yi)延緩表(biao)面(mian)(mian)裂紋(wen)擴大(da)，從而(er)延長所制造(zao)的(de)(de)組(zu)件(jian)(jian)的(de)(de)疲勞壽命。

本文作者：K·Philip博士， John Hagan