SLM成形打印件振动辅助磁力研磨试验
2022-07-27张鹏孙玉利王燎原陈法宇盛一
张鹏，孙玉利，王燎原，陈法宇，盛一
精密与超精密加工
SLM成形打印件振动辅助磁力研磨试验
张鹏1，孙玉利1，王燎原1，陈法宇1，盛一2
（1.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2.南京星合精密智能制造研究院，南京 211106）
研究使用振动辅助磁力研磨去除选区激光熔化（SLM）成形打印件表面的未熔融粉末时，各加工参数对试样表面粗糙度降低率和表面形貌的影响。结合波导管工件，采用SLM成形打印AlSi10Mg试样，并利用自行研制的振动辅助磁力研磨装置进行加工间隙、磁极转速、振动频率、加工时间等4个因素各5个水平的单因素试验，以表面粗糙度降低率为评价指标，探究各加工因素对试样表面粗糙度降低率和表面形貌的影响规律。对于采用选区激光熔化成形的试样来说，当加工间隙从3 mm增大到7 mm时，试样的表面粗糙度降低率显著降低，最大降低率为84.7%，最小降低率为6%。当加工间隙为3 mm时，试样表面的未熔融粉末基本去除，表面较平整。当磁极转速从200 r/min增大到1 000 r/min时，表面粗糙度降低率先增大后趋于稳定，在转速为200 r/min时表面粗糙度降低率最小（24.3%）。当转速达到400 r/min甚至更高时，表面粗糙度降低率趋于稳定，表面粗糙度降低率保持在80%左右。表面粗糙度降低率随着振动频率增大的变化情况较为复杂，但是总体呈现先增大后减小的趋势，并且在振动频率为15 Hz时，表面粗糙度降低率最大（84.7%）。当加工时间从10 min增大到50 min时，表面粗糙度降低率呈现先增大后减小的变化趋势，在加工时间为40 min时，表面粗糙度降低率最大（81.7%）。加工间隙、磁极转速、振动频率和加工时间对表面粗糙度降低率都有不同程度的影响，SLM成形的试样经过振动辅助磁力研磨之后，表面粗糙度显著降低，表面未熔融粉末得到有效去除。
选区激光熔化；未熔融粉末；振动辅助；磁力研磨；表面粗糙度降低率；表面形貌
增材制造技术（又称3D打印技术）是一种以离散–堆积为基本原理，通过计算机辅助设计，将原材料自下而上逐层累积制造零件的成形技术。作为一个新兴的技术，增材制造技术凭借其“近净成形”、显著降低原材料消耗和显著缩短零件制造周期等优势在航空航天、汽车船舶、医疗和食品等领域得到了广泛应用[1-5]。美国联合技术研究中心于1979年首次提出了金属增材制造技术的想法[6]。从20年代90年代中期开始，金属增材制造技术大量应用于航空航天领域，国内外的学者对此进行了大量研究[7-8]。作为金属增材制造重要原材料之一的AlSi10Mg，它具有质量轻、静态力学性能良好等特点[9]，被广泛应用于金属增材制造工艺中。由于增材制造技术存在阶梯效应、粉末黏附、球化效应等缺陷[10-12]，制造出来的工件表面会残留大量的未熔融粉末凸起，导致其表面粗糙度达到10～50 μm，很难达到使用标准，因此需要对增材制造后的零件进行后续的光整加工，使它满足使用要求[13-14]。
目前，对金属增材制造零件进行抛光的方法有很多种，如手工抛光、喷砂抛光、激光抛光、化学与电化学抛光、磨粒流抛光等[15]。Remos–Grez等[16]采用较低的激光能量密度对SLM成形的铁铜零件进行激光抛光，使表面凹凸不平的部分熔化再凝固，最终得到了光滑的表面。马宁等[17]使用氨基磺酸–甲酰胺非水溶液对激光选区熔化钛合金TC4进行了电解抛光，研究了电流密度和加工时间对不同构建角度的钛合金抛光后的表面粗糙度和材料去除量的影响。高航等[18]采用复合粒径磨料介质对增材制造的铝合金格栅进行磨粒流光整加工，研究了加工过程中零件表面形貌、材料去除率和表面粗糙度的变化情况。激光加工设备较昂贵，且难以加工具有复杂内凹槽结构的波导管。另外，化学、电化学加工废液不经过专业处理随意排放会对生态环境造成污染，磨粒流加工常会出现锐边过抛问题，且通过探索性试验发现在加工异形波导管时内凹槽容易发生磨料卡滞和堵塞现象。磁力研磨技术（Magnetic Abrasive Finishing，MAF）指在强磁场作用下，通过磁性磨料对工件表面进行挤压和不断在工件表面进行摩擦运动，从而对工件表面进行研磨抛光的技术。磁力研磨技术具有柔性较好、自适应性较好、可控性较好、无变质层、加工质量高、效率高和磨具无须进行磨损补偿等优点，在前期使用磁力研磨对波导管内腔进行加工时取得了较好的加工效果。磁力研磨研究成果在平面、外圆面、内圆面和成形面光整加工的许多场合得到了广泛应用[19]。叶恒宇等[20]使用SiC磨料和铸钢粉的混合物作为磁性磨料，利用正交试验从研磨液类型、磨料粒度、磨料各组分比重、加工间隙和磁场强度等5个因素各4个水平进行试验设计，并找出了最佳的工艺参数组合。Teng等[21]对SLM成形的AlSi10Mg工件先采用磨削工艺将其表面粗糙度从7 μm降至0.6 μm，再使用磁力研磨工艺降至最低值（0.155 μm）。韩冰等[22]针对普通磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管内表面加工效率低、纹理不均匀等问题，提出了一种振动辅助磁力研磨技术，采用曲柄滑块振动机构和超声振动机构辅助磁力研磨，并进行了对比试验，实现了对陶瓷管内表面的高效精密加工。Yin等[23]使用垂直振动辅助磁力研磨对镁铝合金、黄铜和不锈钢进行了光整加工试验，发现该工艺可以实现镁铝合金的光整加工，并且其单位时间的材料去除量大于黄铜和不锈钢的。焦安源等[24]为了提高钛合金锥孔的研磨质量和研磨效率，提出采用超声波振动辅助磁力研磨的复合加工方案，通过试验与传统磁力研磨法进行对比，并分析了研磨后试件的材料去除量、表面粗糙度和表面形貌等，验证了超声磁力复合研磨的效果。
学者对磁力研磨及各种辅助磁力研磨加工的工件大多停留在平面、内外圆面等简单型面，对于具有复杂型腔、盲孔和盲槽结构工件的磁力研磨试验的研究较少。文中结合SLM成形的具有梳齿形内槽结构的AlSi10Mg异形波导管，采用SLM工艺制备试样，并根据波导管和试样自行研制一套振动辅助磁力研磨装置，通过该试验装置，以小钢珠为磁性磨料，以表面粗糙度降低率为评价指标，设计单因素试验，研究加工过程中加工间隙、磁极转速、振动频率、加工时间等参数对工件表面粗糙度降低率和表面形貌的影响。
1 试验
1.1 振动辅助磁力研磨试验装置
为了对波导管内部及试样进行加工，自行研制了一套振动辅助磁力研磨装置，示意图如图1所示。设计的磁场发生装置为一个旋转磁极盘，在铝合金磁极盘上有4个对称分布的磁极槽，分别布置4块方形永磁体和1块半圆永磁体。每块方形永磁体的尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，材料为Nd–Fe–B，牌号为N52，磁铁充磁方向均从磁极盘的圆心沿半径向外。为了防止磁铁在旋转过程中因离心力而甩出磁极盘，设计了4块压板，将压板通过螺栓连接到磁极盘上，通过压力将磁铁压在铝合金磁极盘的磁极槽里。通过刚性联轴器将磁极盘与电机的轴相连，由电机带动磁极盘旋转，形成旋转磁极系统。试样通过螺栓固定在夹具上，夹具上有类似波导管内腔结构的槽，用于放置钢珠等磁性磨料，为防止试验过程中磁性磨料受到磁铁的吸引而从加工区域飞出，在夹具槽的上方设计了一块挡板盖住夹具槽，加工时用螺栓固定。将夹具通过螺栓连接固定在夹具底座上，构成完整的夹具系统，如图1所示。将夹具系统安装在音圈电机上，由音圈电机带动进行水平方向的振动，将音圈电机安装在底部的丝杠导轨上，丝杠导轨连接步进电机，在步进电机的控制下进行水平运动。为了保证加工的一致性，电机托板由顶部的伺服电机带动缓慢做上下运动，并带动磁极盘上下运动。
1.2 试验条件与结果测量
试验采用的AlSi10Mg试样为SLM成形而成（如图2），尺寸为35 mm×13 mm×2 mm，通过螺栓固定在夹具上。试样未经任何后处理，仅保留原始表面。原始表面残留了大量的未熔融粉末凸起（以下简称“凸起”），原始表面粗糙度较大，并且不同试样的原始表面粗糙度也不一样，因此在这里采用表面粗糙度降低率（Δ）来评价加工效果。表面粗糙度降低率Δ（%）可以由式（1）计算。
影响振动辅助磁力研磨加工效果的因素有很多，如磁场分布、磁极转速、加工间隙、振动频率、加工时间和磁性磨料的种类等。在文中，由于磁场发生装置中的磁极尺寸和数量都是确定的，因此产生的磁场也是确定的。考虑到磁场某一点处的磁感应强度会随着与磁极的距离而变化，而文中的加工间隙指加工表面到磁铁表面的距离，并且在加工过程中磁极是不停转动的，因此加工间隙可以看作是磁场分布及特性的一种体现，可用加工间隙来表征磁场分布及特性。通过上述分析，结合试验设备，选择加工间隙、振动频率、磁极转速和加工时间作为加工因素。由于原始试样表面有大量的未熔融粉末凸起，且粉末凸起与试样表面有一定的结合力，通过试验发现仅用磁性磨料基本没有抛光效果，因此磁性磨料选用直径为1 mm的钢珠，经过探索试验确定钢珠装入量为50 mg。试验中音圈电机的振幅与小钢珠直径一致，设为1 mm。试验完成后，使用超声波清洗机清洗工件，并使用三丰SJ–210粗糙度仪测量加工区域的表面粗糙度。针对每个试样的加工区域选择5条线进行测量：水平方向3条，标记为1、2、3；竖直方向2条，标记为4、5。每条线测量3次，并取其平均值。试样加工区域与波导管内腔加工区域尺寸一致，如图2。
图1 振动辅助磁力研磨装置及加工示意图
图2 试样与波导管工件加工区域的对应关系
2 结果与分析
2.1 加工间隙对表面粗糙度降低率和表面形貌的影响
试验的主要目的是探究加工间隙对表面粗糙度降低率的影响。试验中，加工间隙指加工表面到磁铁外缘的距离。由于试样本身具有一定的厚度（2 mm），以及受到设备的限制，因此选用3、4、5、6、7 mm作为加工间隙水平。具体试验参数如表1所示。
表1 加工间隙单因素试验条件
Tab.1 Single-factor experimental conditions of machining gap
加工间隙对表面粗糙度降低率的影响如图3所示。由图3可知，随着加工间隙的增大，表面粗糙度的降低率越来越小。在加工间隙为3 mm时，每条测量线的粗糙度降低率均达80%以上，且最大降低率达到了84.7%，使用磁场强度测量仪器测得此时的磁场强度约为200 mT。当加工间隙为4 mm时表面粗糙度降低率与加工间隙为3 mm时相比有所下降。当加工间隙达到6 mm时，此时的粗糙度降低率已经不足50%。在加工间隙为7 mm时，粗糙度降低率接近于0，基本没有加工效果，此时的磁场强度约为15 mT。分析其原因，在非匀强磁场中，离磁铁越近，磁感应强度越大，因此小钢珠受到的磁场力也就越大。在加工间隙为3 mm时，小钢珠受到的磁场力较大，对试样表面的挤压力也大。在挤压和推动作用下，试样表面的凸起很容易被去除和碾平，使得表面粗糙度降低率较大。在加工间隙过大时，小钢珠受到的磁场力很小，对试样表面的挤压力也就很小，挤压力和推动力已经不足以将表面的凸起碾平去除，表面粗糙度降低率很小。在试验中应尽量减小加工间隙，以保证加工的效果。
图3 加工间隙–表面粗糙度降低率变化曲线
3种典型加工间隙下的表面形貌如图4所示。原始表面形貌布满了未熔融粉末的凸起，如图4a所示。在加工间隙为3 mm时，经过磁力研磨之后，表面的凸起基本被去除，表面较为平整，如图4b所示。当加工间隙为5 mm时，表面既有凸起，也有凸起被去除后留下的凹坑，表面较为粗糙。当加工间隙为7 mm时，表面与原始表面基本没有区别，表面未熔融粉末绝大部分未被去除。
2.2 磁极转速对粗糙度降低率和表面形貌的影响
固定其他试验参数，仅改变旋转磁极的转速。试验条件如表2所示。
图4 3种典型加工间隙下的表面形貌
表2 磁极转速单因素试验条件
Tab.2 Single-factor experimental conditions of magnetic pole rotating speed
磁极转速对粗糙度降低率的影响如图5所示。由图5可以看出，当磁极转速为200 r/min时，表面粗糙度降低率较低，最低值仅为24.3%。当转速达到400 r/min时，粗糙度降低率与转速为200 r/min时相比有了明显的提高，达到了81.7%。当转速达到600、800、1 000 r/min时，粗糙度降低率与转速为400 r/min时相比并没有明显的上升或下降的趋势，说明当达到一定转速时，转速对粗糙度降低率的影响较小。分析其原因可知，受磁场力的作用，小钢珠会随着磁极的转动以一定的速度做上下往复运动。由于小钢珠本身有一定的质量，所以小钢珠本身会有一定的动量。由于，单颗小钢珠的质量一定，所以小钢珠的速度越大，它的动量就越大。
图5 磁极转速–表面粗糙度降低率变化曲线
对于试样表面的凸起而言，假设该凸起在一段很短的时间内受到小钢珠给予的冲量为，那么这段时间内试样表面的凸起受到的冲量可近似等于小钢珠的动量，也就是，即=。当时间一定时，小钢珠的动量越大，试样表面的凸起受到的冲量越大，凸起在单位时间内受到的力越大，越容易被去除。当转速过小时，小钢珠的动量也很小，试样表面的凸起受到的冲量很小，不足以将凸起碾平去除，所以在转速为200 r/min时，表面粗糙度降低率较低。当转速达到一定值时，钢珠的动量也达到可去除凸起的值，此时转速再增大，对表面粗糙度降低率的影响也不是很大。
3种典型磁极转速下的表面形貌如图6所示。在转速为200 r/min时，可以看出表面还有尚未去除的凸起。在转速达到600 r/min时，表面凸起被完全去除，只留下凸起被去除留下的凹坑，表面较为平整。在转速达到1 000 r/min时，凸起也完全被去除，但是可以看到因转速过快，导致小钢珠撞击工件表面，使得表面出现了类似于鱼鳞状的形貌。考虑到过高的转速对电机轴和联轴器会产生一定的损伤，因此尽量不选择较高的转速。
图6 3种典型磁极转速下的表面形貌
2.3 振动频率对粗糙度降低率和表面形貌的影响
固定其他试验参数，仅改变音圈电机的振动频率。试验条件如表3所示。
表3 振动频率单因素试验条件
振动频率对粗糙度降低率的影响如图7所示。由图7可以看出，当振动频率从5 Hz增大到45 Hz时，虽然变化情况较为复杂，但是整体而言呈现先增大后减小的趋势。当振动频率为15 Hz时，表面粗糙度降低率是所有振动频率中最高的，最高可达84.7%。当振动频率继续增大到25、35、45 Hz时，表面粗糙度降低率呈现较为复杂的变化情况，但是总体上表面粗糙度降低率比振动频率为15 Hz时低，并且有下降的趋势。分析其原因，添加了水平振动，小钢珠在水平方向也有分运动。频率越大，单位时间小钢珠做水平运动的次数越多，因此在去除凸起后水平的分运动仍会对表面进行抛光，从而产生了过抛现象，导致振动频率为45 Hz时表面粗糙度降低率相对较低。过大的振动频率会对丝杠导轨和音圈电机导轨产生损害，出于安全考虑，在试验中要将振动频率控制在合适的范围内。
图7 振动频率–表面粗糙度降低率变化曲线
3种典型振动频率下的表面形貌如图8所示。由图8可以看出，在振动频率为15 Hz时，表面未熔融粉末已经被完全去除，表面趋于平整。在振动频率达到35 Hz和45 Hz时，表面产生了较多的凹坑。这是因为振动频率大，水平方向加工次数过多，出现了过抛现象。由于试样是SLM成形的，内部气孔率较高[25]，过抛现象导致内部的气孔逐渐显露出来，表面粗糙度降低率变低，表面质量变差。
图8 3种典型振动频率下的表面形貌
2.4 加工时间对粗糙度降低率和表面形貌的影响
固定其他加工参数，仅改变加工时间。试验条件如表4所示。
表4 加工时间单因素试验条件
Tab.4 Single-factor experimental conditions of machining time
加工时间对粗糙度降低率的影响如图9所示。从图9中可以看出，在前40 min，表面粗糙度降低率都处于不断增大的状态。当加工时间达到50 min时，表面粗糙度降低率反而有下降的趋势。分析其原因，在加工过程中，小钢珠通过与试样表面接触，对试样表面的凸起进行挤压和撞击。如果加工时间过短，小钢珠还没有来得及将工件表面的凸起去除，此时会有凸起残留在工件表面。随着加工时间的增加，工件表面的凸起渐渐被完全去除，表面粗糙度降低率逐渐达到最大。继续加工，由于小钢珠在试样表面不断地碰撞，试样内部因上一道工艺产生的气孔会慢慢地暴露出来，从而导致表面粗糙度增大，即表面粗糙度降低率反而会变小。为了保障加工的效果，要选择合理的加工时间，既能保证凸起被去除，又可以防止出现因过度加工导致的表面质量变差现象。
图9 加工时间–表面粗糙度降低率变化曲线
3种典型加工时间下的表面形貌如图10所示。在加工时间为10 min时，因为加工时间较短，因此表面还有较多未去除的凸起，表面较粗糙。当加工时间达到40 min时，表面的凸起完全被去除，表面趋于平整。当加工时间达到50 min时，由于加工时间过长，导致内部的气孔逐渐暴露出来，表面质量变差。
图10 3种典型加工时间下的表面形貌
3 结论
针对选区激光熔化成形的AlSi10Mg波导管工件，结合工件结构，通过SLM成形试样，使用自行研制的振动辅助磁力研磨装置进行振动辅助磁力研磨的单因素试验研究，探究了加工过程中加工间隙、磁极转速、振动频率和加工时间对表面粗糙度降低率的影响，并观察了不同参数下的表面形貌，得到如下结论。
1）表面粗糙度降低率随着加工间隙的增大呈现显著的下降趋势，加工间隙越大，粗糙度降低率越小，表面未熔融粉末凸起残留越多。
2）表面粗糙度降低率随着磁极转速的增大呈现先增大后逐渐稳定的趋势。过低的转速会导致加工不完全，过高的转速会使工件表面产生鳞片状形貌。
3）随着振动频率的增大，表面粗糙度降低率的变化情况较复杂，但是总体上呈现先增大后减小的趋势。
4）随着加工时间的增加，表面粗糙度降低率呈现先增大后减小的趋势。加工时间过短会导致加工不完全，加工时间过长会导致过抛现象的发生。
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Experimental on Vibration-assisted Magnetic Abrasive Finishing of Printed Workpiece Formed by SLM
1,1,1,1,2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Nanjing Xinghe Precision Intelligent Manufacturing Research Institute, Nanjing 211106, China)
The forming and inner surface polishing of workpieces with complex internal cavity structures has always been a problem that troubles the academic community. Complex parts can be formed by metal additive manufacturing technology, but unfused powder remainsand the surface is very rough, which seriously affects the workpieces' performance.In this paper, the influence of vibration-assisted magnetic abrasive and polishing parameters on the processing results during polishing is studied for the polishing of irregular waveguide internal surfaces with complex internal cavities formed by selective laser fusion coagulation.
Based on the basic theory of vibration-assisted magnetic abrasive finishing, a single-factor experiment was carried out using a self-developed experimental device for vibration-assisted magnetic abrasive finishing. To restore the machining conditions of the waveguide as much as possible, the object of the single-factor experiment is the profiled AlSi10Mg sample and the size of the polishing area is the same as the size of the inner cavity of the waveguide. A special fixture is designed for the samples, and the machining gap can be adjusted flexibly. To improve the polishing efficiency and obtain good polishing results, steel balls are used as magnetic abrasives, and surface roughness reduction rate is used as an evaluation index. The experiment explores the influence of four factors of machining gap, magnetic pole rotating speed, vibration frequency, and machining time at five levels each on the surface roughness reduction rate and surface morphology.
The results of the vibration-assisted magnetic abrasive finishing based on steel balls are as follows. For samples formed by selective laser melting, with the machining gap increasing from 3 mm to 7 mm, the surface roughness reduction rate is significantly reduced, the maximum reduction rate is 84.7%, and the minimum is 6%. When the machining gap is 3 mm, the unfused powder on the surface of the sample is almost completely removed at this machining gap, and the surface is relatively flat. When the magnetic pole rotating speed increases from 200 r/min to 1 000 r/min, the surface roughness reduction rate increases firstly and then tends to be stable. When the magnetic pole rotating speed is 200 r/min, the surface roughness reduction rate is the smallest, which is only 24.3%. When the magnetic pole rotating speed reaches 400 r/min or higher, the surface roughness reduction rate tends to be stable, and the surface roughness reduction rate remains at about 80%. When the magnetic pole rotating speed is 800 r/min, the surface roughness reduction rate reaches a maximum of 85.3%. The change of the surface roughness reduction rate with the increase of the vibration frequency is more complicated, but the overall trend is that it first increases and then decreases. When the vibration frequency is 15 Hz, the surface roughness reduction rate reaches the largest, which is 84.7%. When the machining time is increased from 10min to 50 min, the reduction rate of surface roughness showed a trend of first increasing and then decreasing. When the machining time is 40 min, the reduction rate of surface roughness is the largest, which is 81.7%, and the unfused powder is almost completely removed, and the surface roughness reduction rate will decrease due to the over-polishing of the steel balls.
The results show that the machining gap, magnetic pole rotating speed, vibration frequency, and machining time all have different degrees of influence on the reduction rate of surface roughness and surface morphology. After vibration- assisted magnetic abrasive finishing, the surface roughness of samples is significantly decreased, and unfused powder on the surface is effectively removed.
selective laser melting; unfused powder vibration-assisted; magnetic abrasive finishing; surface roughness reduction rate; surface morphology
TH161+.14
A
1001-3660(2022)07-0245-08
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.024
2021–08–25；
2021–11–29
2021-08-25；
2021-11-29
南京市科技计划–国际联合研发项目（202002047）
Nanjing Science and Technology Project - International Joint Research and Development Project (202002047)
张鹏（1997—），男，硕士，主要研究方向为磁力研磨。
ZHANG Peng (1997-), Male, Master, Research focus: magnetic abrasive finishing.
孙玉利（1970—），男，博士，教授，主要研究方向为精密超精密加工技术。
SUN Yu-li (1970-), Male, Doctor, Professor, Research focus: precision and ultra-precision machining technology.
张鹏, 孙玉利, 王燎原, 等. SLM成形打印件振动辅助磁力研磨试验[J]. 表面技术, 2022, 51(7): 245-252.
ZHANG Peng, SUN Yu-li, WANG Liao-yuan, et al. Experimental on Vibration-assisted Magnetic Abrasive Finishing of Printed Workpiece Formed by SLM[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 245-252.
责任编辑：彭颋
