江 劍，徐正揚(yáng)，王 震

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)又稱(chēng)3D 打印， 是一種基于三維數(shù)字化模型并將其轉(zhuǎn)化為一系列二維模型，通過(guò)“分層制造，逐層疊加”直接制造出實(shí)體零件的技術(shù)[1]。 金屬增材制造技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)輕量化、加工效率高等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、醫(yī)療植入物、智能制造等領(lǐng)域顯現(xiàn)了良好的應(yīng)用場(chǎng)景[2]。

雖然金屬增材制造技術(shù)具有如此巨大的潛力，但零件內(nèi)部孔隙和表面缺陷（球化效應(yīng)、粉末黏附等） 的存在仍然制約著該技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。例如，通過(guò)選區(qū)激光熔化（SLM）成形的金屬零件表面粗糙度通常在Ra10～50 μm 之間[3]，而傳統(tǒng)機(jī)械精加工的表面粗糙度一般小于Ra2.5 μm[4]。因此，為了去除增材制造零件的表面缺陷， 改善其表面質(zhì)量， 達(dá)到航空航天等領(lǐng)域的較高表面粗糙度要求，合適的后續(xù)拋光工藝變得極為重要。

目前用于拋光增材制造金屬零件的方法主要有砂輪/砂帶拋光[5]、化學(xué)拋光[6]、磨料流拋光[7]、電化學(xué)拋光等。其中砂輪/砂帶只能用于簡(jiǎn)單外表面的拋光，難以拋光具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和內(nèi)表面的零件。 化學(xué)拋光常使用酸性溶液，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染[5]。 磨料流拋光利用高黏度的介質(zhì)作為載體具有較好的加工可達(dá)性，通過(guò)磨料的往復(fù)磨削作用改善零件的表面粗糙度。 與傳統(tǒng)的磨料流加工方法不同，計(jì)時(shí)鳴等[8-9]提出了軟性磨粒流的加工方法，使用具有弱黏性的固-液兩相流對(duì)模具表面進(jìn)行拋光， 并研究了近壁區(qū)的微切削原理。

電化學(xué)拋光是一種基于陽(yáng)極溶解去除金屬材料的方法， 去除的金屬以離子形式進(jìn)入電解液，所以拋光表面無(wú)劃痕，且不受工件材料和幾何形狀的限制[10-11]。 PARK 等[12]提出了脈沖電化學(xué)拋光方法，提高了傳統(tǒng)電化學(xué)拋光的加工效率及表面質(zhì)量。 周錦進(jìn)等[13]研究了使用懸浮磨粒電解液的電化學(xué)機(jī)械光整加工方法，改造了不銹鋼鏡面板生產(chǎn)線。

本文將軟性磨粒流加工與電化學(xué)拋光相結(jié)合，提出一種新型電化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光方法，利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解和磨粒磨削的共同作用去除增材制造金屬零件的表面缺陷，降低零件表面粗糙度，改善表面質(zhì)量。

1 復(fù)合拋光原理

圖1 是磨粒流動(dòng)輔助電化學(xué)復(fù)合拋光的加工原理。 在加工過(guò)程中，工件和工具分別連接電源的正極和負(fù)極， 在加工間隙內(nèi)通入含有磨粒的電解液，通電后，零件表面的大量凸起缺陷會(huì)首先發(fā)生溶解，以金屬離子的形式溶入電解液，并生成一些氣泡和電解產(chǎn)物，與此同時(shí)，金屬表面還會(huì)生成一層很薄的鈍化膜， 阻礙電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，降低工件的溶解速率。 這種薄膜一般在表面凸起處較薄，在凹陷處較厚，由于磨粒伴隨電解液流經(jīng)工件表面，磨粒的機(jī)械作用既能優(yōu)先去除工件表面凸起處的鈍化膜，增大電化學(xué)溶解速率，又能直接去除金屬材料，因此，通過(guò)磨粒和電化學(xué)持續(xù)不斷的復(fù)合作用，能夠?qū)崿F(xiàn)工件表面的平整。

圖1 復(fù)合拋光原理圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

復(fù)合拋光試驗(yàn)裝置和工件安裝方式分別見(jiàn)圖2和圖3。該試驗(yàn)裝置主要由混合槽、攪拌器、冷水機(jī)、加熱器、板框過(guò)濾器、濾芯式過(guò)濾器、加工平臺(tái)和直流電源等組成。 磨粒和電解液在混合槽中得到充分?jǐn)嚢瑁纬晒桃簝上嗔鳌?在加工過(guò)程中，通過(guò)渣漿泵（H=120 m，Q=15 m3/h）將混合液抽入固定在加工平臺(tái)上的夾具，工具陰極連接電源負(fù)極，工件連接電源正極。 由于加工過(guò)程中會(huì)不斷放熱，需要使用冷水機(jī)對(duì)槽內(nèi)液體進(jìn)行冷卻，并且環(huán)境溫度較低時(shí)可使用加熱器對(duì)電解液進(jìn)行升溫。 此外，加工一段時(shí)間后，可通過(guò)板框過(guò)濾器和濾芯式過(guò)濾器濾除電解產(chǎn)物、分離磨粒和電解液，以實(shí)現(xiàn)混合電解液的循環(huán)使用。

圖2 復(fù)合拋光試驗(yàn)裝置示意圖

圖3 夾具和工件安裝示意圖

2.2 工件和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)， 工件為選區(qū)激光融化成形的316L 不銹鋼，激光功率為340 W，掃描速度為1 250 mm/s，工件的原始表面粗糙度為Ra6.768～8.263 μm。

試驗(yàn)首先對(duì)比純磨粒磨削加工、純電解加工和復(fù)合拋光加工三種情況的加工效果；接著研究加工電壓、磨粒尺寸、電解液壓力和加工時(shí)間對(duì)拋光效果的影響。復(fù)合拋光采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液為電解液，工作溫度25℃，其他加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合拋光加工參數(shù)

試驗(yàn)前后用VHX-6000 超景深三維顯微鏡觀察工件加工表面形貌，用M300C 表面粗糙度儀測(cè)定工件表面粗糙度Ra（測(cè)量三次取平均值）。由于每個(gè)工件的原始表面粗糙度Ra不一致， 為便于比較加工參數(shù)變化對(duì)表面質(zhì)量改善效果的影響，使用表面粗糙度變化值ΔRa（原始表面粗糙度-加工后表面粗糙度）和工件質(zhì)量變化值Δm（工件初始質(zhì)量-工件加工后質(zhì)量）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同加工方式的拋光效果對(duì)比

本文在加工電壓12 V、磨粒尺寸500 目、電解液壓力0.6 MPa、 加工間隙2 mm、 加工時(shí)間5 min的條件下比較了復(fù)合拋光、純磨粒磨削和純電解加工的拋光效果。

圖4 和圖5 分別是不同方式加工后的工件表面顯微圖及其三維形貌圖。 圖4a 顯示SLM 成形工件的原始表面存在大量的表面缺陷，如“臺(tái)階效應(yīng)”“球化效應(yīng)”“黏附粉末”等，這些表面缺陷產(chǎn)生于增材制造零件特殊的成形過(guò)程中。 根據(jù)圖5a，原始表面輪廓的高低位置差最大為64.7 μm， 這說(shuō)明SLM成形工件的表面凹凸不平、十分粗糙。

從圖4b 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)磨粒的沖擊和磨削，工件原始表面凸起處的高峰被刮平，呈現(xiàn)出分塊的磨粒沖擊區(qū)域。 根據(jù)圖5b，磨粒磨削后的表面輪廓最大高度差為44.4 μm，表面變得相對(duì)平整。

圖4c 顯示純電解加工的工件存在許多電化學(xué)溶解形成的孔隙，說(shuō)明原始表面的大量凸起發(fā)生溶解且表面的黏附顆粒被去除， 留下許多圓形凹坑，但仍存在一些條狀凸起。 根據(jù)圖5c，純電解加工的工件表面輪廓最大高度差約為37 μm。

從圖4d 可知，與純磨粒磨削相比，復(fù)合加工的材料去除量更大且大部分表面凸起被去除；與純電解加工相比，由于磨粒的磨削和沖擊對(duì)金屬表面鈍化膜具有去除作用，復(fù)合拋光過(guò)程中的電化學(xué)溶解更為劇烈， 條狀凸起處的材料溶解并形成條形凹坑，材料去除量更大且表面更加平整。根據(jù)圖5d，復(fù)合加工的表面輪廓最大高度差降至28.4 μm。 綜上所述，在相同試驗(yàn)條件下，與純磨粒磨削加工和純電解加工相比， 復(fù)合拋光加工后的SLM 316L 不銹鋼表面粗糙度值更低，拋光效果更好。

圖4 不同加工方式的工件表面顯微圖

圖5 不同加工方式的工件表面三維形貌圖

圖6 是三種不同加工方式對(duì)工件表面粗糙度和材料去除量的影響。 可發(fā)現(xiàn)，復(fù)合拋光后的粗糙度變化值ΔRa和質(zhì)量變化值Δm最大，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)的復(fù)合拋光效率更高，材料去除更快；純磨粒磨削加工后的ΔRa和Δm最小，說(shuō)明磨粒磨削對(duì)表面質(zhì)量改善和材料去除的效果較微弱，主要起到輔助電化學(xué)拋光的作用。 此外可見(jiàn)， 復(fù)合加工后的ΔRa和Δm要大于其他兩種加工方式的變化值之和，這也從側(cè)面說(shuō)明磨粒磨削和電化學(xué)溶解之間不僅是疊加作用，還存在復(fù)合作用，即磨粒能去除工件表面生成的鈍化膜，增強(qiáng)電化學(xué)溶解作用。

圖6 不同加工方式對(duì)拋光效果的影響

3.2 加工電壓對(duì)拋光效果的影響

在復(fù)合加工過(guò)程中，加工電壓主要影響電化學(xué)陽(yáng)極溶解的速率。 試驗(yàn)選取尺寸為500 目的SiC 磨粒，設(shè)定加工時(shí)間為5 min、壓力為0.8 MPa，在表1所示多種電壓下對(duì)增材制造的316L 不銹鋼工件進(jìn)行拋光，得到的工件去除質(zhì)量和表面粗糙度變化值見(jiàn)圖7。 可看出，隨著電壓升高，工件的Δm一直增大，而ΔRa先增大后減??；在加工電壓為18 V 時(shí)，ΔRa最大，此時(shí)工件表面粗糙度值最小。 分析原因如下：當(dāng)電壓較低時(shí)，電化學(xué)溶解作用較小，拋光工件主要依靠磨粒的微切削作用， 其加工效率較低、材料去除量較少、ΔRa較小；隨著電壓升高，電化學(xué)溶解作用增強(qiáng)，工件表面的凸起溶解，材料去除量增加，表面粗糙度值迅速降低；隨著電壓繼續(xù)升高，電化學(xué)溶解作用繼續(xù)增強(qiáng)，工件的表面缺陷和基體均溶解，ΔRa減小。 因此，過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大、表面質(zhì)量變差。

圖7 加工電壓對(duì)拋光效果的影響

3.3 磨粒尺寸對(duì)拋光效果的影響

為了探究磨粒尺寸對(duì)復(fù)合拋光效果的影響，需在加工中突顯磨粒磨削的作用，故設(shè)定的加工電壓不宜過(guò)大。在加工電壓為6 V、壓力為0.8 MPa、時(shí)間為5 min 和磨粒尺寸分別為180、500、800、1200 目條件下得到的加工結(jié)果見(jiàn)圖8。可知，當(dāng)磨粒尺寸為180 目時(shí)，復(fù)合加工后的ΔRa和Δm最大，隨著磨粒尺寸減小，ΔRa和Δm都隨之減小。 這是因?yàn)椋チ３叽缭酱?，磨粒的?dòng)能越大，磨粒磨削沖擊的作用更強(qiáng)烈，由此材料去除得更快、表面粗糙度值降低得也更快；對(duì)于尺寸較小的磨粒而言，其磨削作用相對(duì)較弱， 與工件表面凸起處的接觸面積也較小，材料去除更慢。 由此，對(duì)于表面較粗糙的零件，需選取較大尺寸的磨粒進(jìn)行加工。

圖8 磨粒尺寸對(duì)拋光效果的影響

除此之外，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)180 目的磨粒難以攪拌充分，易產(chǎn)生沉淀，這會(huì)影響拋光的均勻性和一致性，綜合試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，500 目磨粒的作用效果與180 目接近，所以選取500 目尺寸的磨粒進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

3.4 電解液壓力對(duì)拋光效果的影響

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液，在電壓為12 V、時(shí)間為5 min、磨粒尺寸為500 目和電解液壓力分別為0.4、0.6、0.8 MPa 條件下開(kāi)展復(fù)合拋光試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖9。 可發(fā)現(xiàn)，隨著入口處電解液壓力的增加，復(fù)合拋光后的工件表面粗糙度變化值和質(zhì)量變化值逐漸增大， 這是因?yàn)殡娊庖簤毫ι吆螅瑑上嗔饕后w的流速隨之增大，磨粒的沖擊和磨削作用增強(qiáng)，且流速增大后可迅速帶走工件表面的電解產(chǎn)物，使電化學(xué)反應(yīng)更加充分、材料去除更快、表面粗糙度值更快降低、表面質(zhì)量更好。

圖9 電解液壓力對(duì)拋光效果的影響

3.5 加工時(shí)間對(duì)拋光效果的影響

為了探究加工時(shí)間對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律，在磨粒尺寸為500 目、電解液壓力為0.8 MPa和加工電壓分別為5、9、15、18 V 的條件下連續(xù)開(kāi)展復(fù)合加工試驗(yàn)，每隔2 min 測(cè)量一次表面粗糙度，得到的不同電壓下表面粗糙度隨著時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖10。 可知，當(dāng)加工電壓較小時(shí)（如5、9 V），工件表面粗糙度值隨著加工時(shí)間增加而緩慢下降；當(dāng)加工電壓為15、18 V 時(shí)，工件表面粗糙度值在幾分鐘內(nèi)迅速下降， 然后隨著加工時(shí)間增加反而上升。分析原因如下：在低電壓時(shí)，電化學(xué)作用較弱，增材制造工件的表面缺陷去除速度較慢； 當(dāng)電壓升高后，電化學(xué)作用增強(qiáng)，材料溶解速度加快，工件的大部分表面缺陷被去除， 表面粗糙度值迅速降低，但存在一個(gè)最低表面粗糙度值； 此后若繼續(xù)加工，工件表面會(huì)發(fā)生不均勻溶解，表面質(zhì)量變差，表面粗糙度值增大。

圖10 加工時(shí)間對(duì)拋光效果的影響

3.6 分階段拋光試驗(yàn)

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取較優(yōu)的加工參數(shù)，即加工間隙2 mm、磨粒尺寸500 目、電解液壓力0.8 MPa、加工電壓18 V、加工時(shí)間5 min，進(jìn)行增材制造316L 不銹鋼工件的復(fù)合拋光試驗(yàn)， 得到的復(fù)合拋光工件表面粗糙度為Ra1.812 μm。

為了進(jìn)一步改善SLM 工件的表面質(zhì)量，提出分階段復(fù)合拋光方法，具體是：第一階段，先通過(guò)大電壓加工迅速改善工件表面質(zhì)量、 降低表面粗糙度值；第二階段，采用小電壓緩慢去除工件表面的材料， 獲得更好的表面質(zhì)量和更低的表面粗糙度值。分階段拋光試驗(yàn)的具體方案如下：首先選取高電壓（18 V）去除SLM 工件表面的“黏附顆?！钡却蟪叽缛毕?，迅速降低表面粗糙度值，隨后保持其他條件不變，選取多個(gè)低電壓分別進(jìn)行試驗(yàn)，找到拋光效果最好的電壓組合。

圖11 是不同電壓組合條件下拋光后的工件表面粗糙度對(duì)比。 可見(jiàn)，第二階段加工電壓為5 V 時(shí)，拋光后的工件表面粗糙度值最低（Ra1.226 μm），說(shuō)明通過(guò)選取合適的第二階段加工電壓，可以進(jìn)一步降低工件表面粗糙度值。

圖11 不同電壓分階段拋光后的工件表面粗糙度

為了觀察分階段拋光前后的工件表面形貌變化， 用超景深三維顯微鏡拍攝并合成如圖12 所示的工件表面三維輪廓照片。 從圖12a 可見(jiàn)，SLM 工件原始表面非常粗糙；從圖12b 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)高電壓復(fù)合拋光5 min 后， 工件表面未完全熔化的粉末發(fā)生溶解，表面凸起的高度降低，但仍存在凹凸不平現(xiàn)象；從圖12c 可見(jiàn)，再經(jīng)過(guò)小電壓拋光5 min 后，工件表面變得相對(duì)平整， 其輪廓高度差繼續(xù)減小，表面質(zhì)量得到進(jìn)一步改善。

圖12 分階段拋光時(shí)工件表面三維形貌的變化

4 結(jié)論

（1）磨粒流動(dòng)輔助電化學(xué)復(fù)合拋光方法能有效去除增材制造零件的表面缺陷，改善增材制造零件的表面質(zhì)量。 與純磨粒磨削和純電解加工相比，復(fù)合拋光后的SLM 316L 不銹鋼工件表面粗糙度值更低，拋光效果更好。

（2）單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，電壓增大時(shí)，復(fù)合拋光效率提高， 但電壓過(guò)大會(huì)使工件表面質(zhì)量變差；磨粒尺寸和電解液壓力越大，磨粒的沖擊和磨削作用越大，工件材料去除越快，表面粗糙度值降低越快；加工電壓較小時(shí)的表面粗糙度值隨著加工時(shí)間增加而緩慢下降，電壓較大時(shí)的工件表面粗糙度值隨著加工時(shí)間增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。

（3）分階段拋光試驗(yàn)結(jié)果表明，在第一階段采用高電壓迅速降低工件表面粗糙度值的基礎(chǔ)上，通過(guò)選取合適的第二階段低電壓繼續(xù)拋光能進(jìn)一步降低工件表面粗糙度值； 當(dāng)高低電壓組合為18 V和5 V 時(shí)， 工件表面粗糙度由Ra8.162 μm 降至Ra1.226 μm。