Inconel625激光增材制造表面超声抛光加工性能研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sun0603
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增材制造(AM)技术是一种依据提前设计的三维模型数据,逐层连接材料进行零件制造的过程。与传统的减材加工技术不同,AM技术大大减少了废料的产生,降低了零件重量,同时缩短了生产时间。此外,没有几何限制的制造特性使AM技术在汽车、航空航天、医学、船舶等各个领域得到了广泛的关注。其中,选区激光熔化技术(SLM)是金属增材制造中最常用的工艺之一,SLM技术适用于生产制造出同时满足更高几何精度和强度的具有精细特征的金属零部件。但是,AM技术制造出的金属零件的表面质量差,不适合直接投入到实际的使用中,必须要经过后续光整加工。目前,针对金属增材制造成型件的表面抛光方法主要集中在化学抛光、电解抛光和手动抛光等,但是这些方法均存在各自的局限性,有必要开发新的抛光方法来高效获得高质量抛光表面。超声抛光具有低成本、操作简单、加工过程中无热损伤和化学损伤等优点,且由于使用游离磨粒进行材料去除,可以对具有各种型面和内孔的零件进行加工,具备有效抛光金属增材制造复杂零件表面的潜力。但是超声抛光中涉及的材料去除机理较为复杂,影响因素繁多,因此要想高效获得好的抛光质量,需要系统地研究超声抛光中的主要条件参数,找出它们对金属激光增材制造件表面抛光质量和和抛光效率的作用规律,优化加工参数。此外,超声抛光中,空化的发生会造成表面材料的剥蚀,有可能恶化表面质量,且磨粒在空化的影响下运动不规律,对材料去除作用不均匀,抛光质量将受到较大影响。为了有效地提高增材制造技术成型金属工件的表面质量,本文提出电流变液辅助超声抛光新方案,通过引入电流变效应,控制空化气泡与磨粒的运动,进而促进金属增材制造件超声抛光过程的有效抛光行为。本文的主要内容和成果如下:(1)以选区激光熔化成型的Inconel625工件作为抛光对象,开展了金属增材制造表面超声抛光实验,比较了有无磨粒情况下的抛光效果,利用光滑粒子流体动力学法建立了单颗磨粒对加工表面的冲击作用模型,计算分析了单颗磨粒对工件表面的材料去除过程,通过实验和仿真结果分析并总结了金属激光增材制造件表面超声抛光的材料去除机理;(2)对金属激光增材制造表面超声抛光进行了实验设计,通过单因素实验和正交实验,讨论了超声抛光过程中主要实验参数包括超声能量输出功率、加工时间、磨粒尺寸、抛光液浓度等对金属激光增材制造件表面抛光效果的影响及作用规律,本文抛光后表面粗糙度Ra从初始的9.48μm降低到最好为2.93μm,对应的最优工艺参数组合为:超声能量输出功率600W、加工时间为10min、磨粒尺寸为8.7μm、抛光液浓度为20%;(3)仿真计算了在工具与工件之间施加电场后的场强分布情况,通过计算气泡和磨粒在电场中所受介电泳力情况推导出他们的运动规律,利用高速摄像机观察电流变效应下抛光液中磨粒和气泡的运动情况,验证仿真和分析结果的有效性,讨论不同电压大小和电极布置对场强分布的影响,获得合适的电流变液辅助抛光工艺参数;(4)开展金属激光增材制造件电流变液辅助超声抛光实验,与无电流变效应下的超声抛光试验结果相比,电流变液辅助抛光在加工相同时间下,表面粗糙度值Ra大幅度下降,可达1μm以下,证明了电流变液辅助超声抛光方法的有效性,讨论了主要实验参数包括电压大小、电极距离、电流变液浓度、磨粒浓度对抛光效果的影响,控制这些参数在合理范围内,可以使电流变效应在超声抛光中得到充分发挥,促进气泡和磨粒的有效抛光作用,提高抛光效果。
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