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

增材制造在航空航天和醫(yī)療市場(chǎng)的廣泛使用促使人們不斷提高對(duì)精加工增材部件表面的要求，以滿(mǎn)足最終應(yīng)用需求。增材制造工藝能夠生產(chǎn)出接近最終形狀的組件，顯著降低了最終精加工的需求。通過(guò)增材制造，可以降低材料浪費(fèi)率，有利于整體制造工藝，但是這也意味著后續(xù)的精加工過(guò)程對(duì)后處理技術(shù)和一致性的要求越發(fā)嚴(yán)苛。因此，需保證后處理的一致性，滿(mǎn)足部件公差和表面質(zhì)量要求。在對(duì)公差和表面提出更高要求的應(yīng)用中，磨削可以是增材制造的另一個(gè)有效選擇。

與其他傳統(tǒng)材料去除工藝相比，磨削得到的表面質(zhì)量和完整性更好。為了進(jìn)一步了解增材制造的精加工，尤其是應(yīng)用于航空航天業(yè)中的鎳基高溫合金部件時(shí)，Norton|Saint-Gobain公司的工程師對(duì)采用增材制造的Inconel 718樣品進(jìn)行了精磨削研究。研究主要圍繞3個(gè)問(wèn)題展開(kāi)：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(duì)增材制造的部件進(jìn)行磨削可以達(dá)到怎樣的表面光潔度？第三，精磨削對(duì)增材制造組件的表面殘余應(yīng)力（如有）有什么影響？

采用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）工藝制造的AM IN718樣品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。圖1所示為增材制造測(cè)試樣品。增材制造后，對(duì)樣品進(jìn)行介質(zhì)噴砂處理，完后消除應(yīng)力。接著是熱等靜壓、固溶處理/退火和沉淀硬化處理。樣品硬度為40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技術(shù)中心的Magerle MFP-125.50.65間歇進(jìn)給磨削機(jī)上的Norton NQX60E24VTX2砂輪進(jìn)行樣本磨削，圖2和圖3所示為測(cè)試設(shè)置。

圖1 磨削前的AM Inconel 718測(cè)試樣品

圖2 整機(jī)設(shè)置

圖3 設(shè)備特寫(xiě)

首先，逐漸加大切削深度，進(jìn)行幾個(gè)區(qū)域的磨削，確定需要清除的最小材料量后，對(duì)增材制造的表面進(jìn)行處理。之后按照規(guī)定的切削深度進(jìn)行磨削，然后檢查表面是否存在明顯缺陷。圖4所示為實(shí)驗(yàn)期間部件清理后的樣品圖片。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了消除增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的所有幾何不一致性和表面缺陷，需要從組件中去除大約0.30～0.45mm的材料。

本次測(cè)試采用的磨削長(zhǎng)度為50.8mm，砂輪直徑為462mm，工作速度為23m/s?？偣矊?duì)五個(gè)的材料去除率（MRR）進(jìn)行了測(cè)試，范圍為0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通過(guò)更改進(jìn)給速度（mm/min）或切割深度（mm）調(diào)整材料去除率。對(duì)多個(gè)材料去除率進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估中低材料去除率對(duì)表面光潔度和磨削能力的影響。盡管可以使用現(xiàn)代工程磨料以較高的去除率對(duì)鎳基合金（例如Inconel 718）進(jìn)行磨削，但根據(jù)目前工業(yè)上用于精加工標(biāo)準(zhǔn)Inconel工件的標(biāo)準(zhǔn)精加工率，本研究選擇了較低的材料去除率（圖4）。以標(biāo)準(zhǔn)（非增材制造）工件磨削為例，預(yù)期結(jié)果是，隨著材料去除率的增加，磨削功率增加，磨削后的工件表面光潔度（Ra）將增加或表面會(huì)變得更粗糙。

圖4 部分磨削后的AM Inconel 718測(cè)試樣品

磨削前后，采用聯(lián)邦接觸輪廓儀系統(tǒng)5000測(cè)量工件的表面光潔度，測(cè)量點(diǎn)包括工件上的多個(gè)位置和兩個(gè)方向（圖5a和圖5b）。此外，還在多個(gè)位置進(jìn)行了非接觸輪廓儀表面測(cè)量。

圖5(a)表面光潔度測(cè)量方向(平行于磨削方向)；圖5(b)表面光潔度測(cè)量方向(垂直于磨削方向)

磨削前，對(duì)增材制造材料的表面光潔度進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，在不同測(cè)量方向上，光潔度存在很大差異。縱向測(cè)量時(shí)，平均光潔度為3.3μRa；橫向測(cè)量時(shí)，平均光潔度為2.1μmRa。而在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鑄態(tài)Inconel 718材料時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)這種顯著差異。這種差異似乎與3D制造方法有關(guān)，但是目前尚不清楚確切原因。

采用接觸輪廓儀測(cè)量磨削后表面光潔度的常規(guī)方法是垂直于磨削線(xiàn)，而不是平行于磨削線(xiàn)。本次研究中，在平行于磨削線(xiàn)和垂直于磨削線(xiàn)兩個(gè)方向上測(cè)量了表面光潔度。然后將磨削后的測(cè)量結(jié)果與磨削前的縱向和橫向測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

重點(diǎn)在于，沿著垂直于磨削線(xiàn)的方向進(jìn)行測(cè)量磨削后的表面時(shí)，測(cè)針會(huì)越過(guò)磨削線(xiàn)的波峰和波谷。而在平行方向上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)針平行于磨削線(xiàn)移動(dòng)，永遠(yuǎn)不會(huì)越過(guò)峰谷。因此，不出所料，本次研究中，垂直測(cè)量得出的（粗糙）表面光潔度明顯高于平行方向的測(cè)量結(jié)果。

磨削前后對(duì)增材制造材料的表面光潔度進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，不同測(cè)量方向的光潔度存在顯著差異。本次研究中，采用平行于磨削線(xiàn)和垂直于磨削線(xiàn)兩個(gè)方向上進(jìn)行表面光潔度測(cè)量，結(jié)果確實(shí)存在顯著差異。在平行方向上測(cè)量時(shí)，磨削前，平均表面光潔度為3.3μmRa，研磨后為0.21μma。在垂直方向上測(cè)量時(shí)，磨削前，平均表面光潔度為2.1μmRa，研磨后為0.5μmRa。

此外，還采用了Nanovea 3D表面輪廓儀和白光色差技術(shù)對(duì)增材樣品進(jìn)行了分析，將表面特征以視覺(jué)化方式呈現(xiàn)出來(lái)。在本次測(cè)試中，收到增材制造樣品后，采用玻璃介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行介質(zhì)噴砂處理，除去表面凸起的部分。磨削后在表面上可以看到的線(xiàn)條是磨削操作留下的線(xiàn)條?？梢允褂幂^細(xì)磨料粒度的砂輪或其他打磨產(chǎn)品，例如工程類(lèi)磨帶，進(jìn)一步減少表面線(xiàn)條，形成超級(jí)精細(xì)的表面，前提是這點(diǎn)對(duì)于組件的性能和質(zhì)量而言至關(guān)重要。

為了進(jìn)一步了解磨削對(duì)AM IN718樣品整體表面完整性的影響，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射設(shè)備，在收到和磨削樣品后，進(jìn)行了表面殘余應(yīng)力測(cè)量。對(duì)兩種狀態(tài)下同一樣品6個(gè)不同位置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在兩種條件下近表面殘余應(yīng)力均為負(fù)值/存在壓縮力。這種情況主要發(fā)生在精磨削后的組件上，其近表面殘余應(yīng)力具有壓縮性，可延緩表面裂紋擴(kuò)散，提高疲勞壽命。

本次研究期間，按照5個(gè)材料去除率對(duì)磨削功率進(jìn)行了測(cè)量。隨著材料去除率的增加，磨削功率也隨之增加。這種行為存在于大多數(shù)磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率時(shí)，磨削期間的峰值功率為1.4 kW。而在3.9 mm3/sec./mm的最高材料去除率下，磨削功率為10.8 kW。

本次研究的結(jié)果證明，對(duì)增材制造的鎳基合金（比如Inconel 718）進(jìn)行精磨削可以將表面的粗糙度降低近94％（平行于磨削線(xiàn)）或34％（垂直于磨削線(xiàn)）?？梢愿鶕?jù)要求，使用磨料粒度更精細(xì)的砂輪或其他打磨產(chǎn)品，比如工程類(lèi)磨帶獲得超精細(xì)表面。此外，結(jié)果還表明，為了提高表面精細(xì)度，需從組件上去除0.30～0.45 mm的材料，并清除掉所有與3D制造過(guò)程相關(guān)的幾何不一致性。對(duì)于增材制造商而言，最低去除率是關(guān)鍵信息，因?yàn)樗麄円恢痹谂σ宰罹叱杀拘б娴姆椒ㄗ屧霾闹圃旖M件盡可能達(dá)到近凈形狀。此外，殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，磨削后的表面應(yīng)力具有壓縮性，可以延緩表面裂紋擴(kuò)大，從而延長(zhǎng)所制造的組件的疲勞壽命。

本文作者：K·Philip博士， John Hagan