典型增材制造零件磨粒流加工性能研究

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随着科学技术和制造业的发展,复杂零件需求越来越大,这些零件广泛应用于航空航天、生物医疗和交通运输等领域。而一些传统的加工方法在制备这些复杂零件时则略显困难,增材制造技术的出现和进步可以有效解决复杂结构零件成形的问题。但由于增材制造技术成形的特点,所制造的零件通常带有“粉末粘附”、“球化现象”等缺陷,这些缺陷严重影响了零件的使役性能和寿命,因此需要对增材制造零件进行处理才能投入使用。为了解决增材制造零件加工可达性和疲劳性能较差的问题,本文以两种典型的增材件为例,研究磨粒流加工对增材制造零件表面质量、加工可达性和疲劳性能的改善情况。针对于磨粒流加工技术,归纳常用的磨粒种类和非牛顿流体的特点,结合经验公式阐述磨料介质在加工过程中所满足的条件。在此基础上,比较了磨粒流加工增材制造零件与其他工艺成形的零件之间去除过程的不同,并结合实验详细描述了磨粒流加工增材制造零件的去除过程,分析各个阶段的去除结果。针对增材制造大长径比微小内流道异形管件内表面,通过设计夹具、选择合适的磨料介质进行磨粒流加工可达性研究实验,并结合有限元仿真模拟了磨料介质速度和压力的分布。通过磨粒流加工,异型管件内表面粗糙度Ra从初始的10μm以上降低至1μm以下,降低幅度达到了90%以上。此外,结合Peston方程对加工均匀性进行研究,分析零件奇异处的加工结果。针对增材制造疲劳纺锤件,研究了磨粒流加工对增材制造零件疲劳性能的改善情况,分析磨料介质质量分数、磨粒粒径、加工压力等参数对零件表面质量的影响。实验结果表明,对于粗糙的增材制造零件表面,较大的压力、高质量分数、大粒径磨粒去除效果更好,可以将初始表面粗糙度Ra从15μm以上降低至0.2μm。接着对加工前后的纺锤件进行疲劳实验,实验结果表明,磨粒流加工后工件疲劳寿命从初始7880次增加到14475次。通过对疲劳断口进行观测,发现初始零件的疲劳源萌生于工件的亚表面,断口粗糙;磨粒流加工之后疲劳裂纹源始于零件内部,断口也相对平坦。本文在磨粒流加工研究的基础上,进一步探索了此方法对增材制造零件疲劳性能的影响,并研究了对复杂零件大长径比微小内流道加工可达性问题,这对提升增材制造零件综合性能有着重要意义。
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