SLM 增材制造微流道內(nèi)表面磨粒流拋光工藝與機(jī)理

石巖，郭志，劉佳，馬志乾

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

增材制造，即3D 打印技術(shù)，屬于快速成形技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)（即“積層造形法”）[1-2]。激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)是一種打印實(shí)體類零件的金屬增材制造（AM）技術(shù)，是金屬零件成形領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一[3]。隨著行業(yè)的發(fā)展，金屬增材制造技術(shù)在航空航天、汽車制造、醫(yī)用植入等高端領(lǐng)域呈現(xiàn)出不可替代的勢頭[4-5]。增材制造技術(shù)在理論上可以制造任意幾何形狀的零件，但一些具有復(fù)雜走向的內(nèi)孔表面卻很難實(shí)現(xiàn)有效的光整加工[6-7]。SLM 增材制造微流道作為換熱器的核心結(jié)構(gòu)，除了要具有較好的內(nèi)表面質(zhì)量以外，還應(yīng)該保證其相應(yīng)的尺寸精度和形狀精度，因此選擇合適的光整方法尤為重要。

磨粒流加工技術(shù)是以具有一定黏性的流體作為載體，通過所攜帶的硬質(zhì)顆粒，形成流體磨料，利用其流動(dòng)性，在一定壓力下流過被加工表面，從而對零件表面進(jìn)行加工的一種方法。由于流體磨料中含有具有切削性能的磨粒，同時(shí)流體對于不同形狀內(nèi)孔具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，所以通過對磨粒流拋光工藝與機(jī)理的研究，有望解決復(fù)雜微流道內(nèi)孔壁拋光難題[8-9]。

目前，對于磨粒流拋光技術(shù)的研究主要集中于改變磨粒流拋光的時(shí)間、壓力、磨粒粒徑、磨料濃度等工藝參數(shù)，而且多是對零件直內(nèi)孔的表面質(zhì)量進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[10]對增材制造燃油噴嘴內(nèi)流道特征件進(jìn)行磨粒流四因素拋光試驗(yàn)，通過優(yōu)化計(jì)算獲得了磨粒流拋光的最優(yōu)工藝參數(shù)，噴嘴內(nèi)流道表面粗糙度Ra由9.10 μm 降至2.70 μm。文獻(xiàn)[11]采用混合粒徑磨料介質(zhì)對增材制造鋁合金格柵外表面及細(xì)小內(nèi)孔進(jìn)行了一體化拋光試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，磨粒流加工方法能夠有效消除“球化效應(yīng)”導(dǎo)致的零件表面的金屬球團(tuán)簇聚集現(xiàn)象，并能夠?qū)υ霾闹圃旄駯帕慵獗砻婧蛢?nèi)孔實(shí)現(xiàn)有效的拋光，格柵表面粗糙度從初始的14 μm 降至1.8 μm。

綜上所述，磨粒流拋光技術(shù)對零件表面質(zhì)量的改善具有明顯的效果，但是對具有復(fù)雜流道走向的內(nèi)孔的形狀與尺寸精度的影響研究鮮有報(bào)道。本文對SLM增材制造微流道內(nèi)孔進(jìn)行磨粒流拋光實(shí)驗(yàn)，對微流道表面質(zhì)量及微流道內(nèi)孔的形狀精度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)基于微流道的復(fù)雜形狀，分別對其直線部分和曲線部分進(jìn)行了具體的研究分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

SLM 增材制造微流道樣件的成形設(shè)備為TruPrint 3000 增材制造系統(tǒng)，以60 μm 的層厚、330 W 的激光功率、1000 mm/s 的掃描速度進(jìn)行激光選區(qū)熔融，掃描策略采取5 mm×5 mm 的棋盤式逐層從左向右掃描。使用的材料為316L 金屬粉末，粉末粒度為400目，具體粉末成分見表1。

表1 316L 粉末的成分Tab.1 Composition of 316L powder wt%

磨粒流拋光設(shè)備為SMKS500 單向自動(dòng)循環(huán)式流體拋光機(jī)，拋光示意見圖1。在磨粒流拋光實(shí)驗(yàn)中，磨粒流拋光顆粒采用SiC 顆粒，其密度為2975 kg/m3，彈性模量為322 GPa，泊松比為0.142，顆粒粒度為600 目，體積分?jǐn)?shù)為10%。介質(zhì)采用航空液壓油，在加壓系統(tǒng)的加持下，速度可以達(dá)到20 m/s。設(shè)置加工時(shí)長為20 min，拋光壓力分別設(shè)置為3、4、5、6、7 MPa，保持其他初始條件相同，在室溫下，對微流道樣件進(jìn)行加工[12-14]。拋光后，分別對其進(jìn)行表面粗糙度與形狀精度的測量分析。

圖1 磨粒流拋光示意Fig.1 Schematic of abrasive flow polishing

1.2 測試方法

SLM 增材制造微流道的具體形狀與尺寸如圖2所示。為了更好地檢測分析磨粒流拋光對微流道的影響，對SLM 增材制造樣件進(jìn)行如圖3 所示的切分。磨粒流拋光后，在微流道彎管處圓弧最高點(diǎn)以及微流道直管部分進(jìn)行切割，利用金相顯微鏡對微流道的截面形狀作最大內(nèi)切圓和最小外接圓。通過對最大內(nèi)切圓與最小外接圓直徑變化及兩者直徑差變化的分析，從而研究磨粒流拋光對微流道形狀精度的影響。再在彎管部分沿微流道截面中心向左取寬為2 mm 的樣件，然后使用接觸式MahrSurfLD120 型表面粗糙度輪廓儀，選取合適的測頭，分別測量微流道彎管內(nèi)、外側(cè)及直管部分的粗糙度。

圖2 SLM 增材制造樣件具體尺寸Fig.2 The size of SLM additive manufacturing sample: a) the key size of sample; b) curvature diagram of elbow part

圖3 SLM 增材制造樣件實(shí)物及分析方法Fig.3 Physical drawing and analysis method of SLM additive manufacturing sample

2 結(jié)果與討論

2.1 對微流道直管部分表面質(zhì)量和形狀精度的影響

SLM 增材制造微流道直管部分粗糙度的形成原因主要是臺階效應(yīng)[15]，這是3D 打印固有的成形缺陷。磨料從微流道中流過，磨料中包含的固體磨粒對直管中形成表面粗糙度的臺階進(jìn)行材料去除。在直管中，影響磨料流動(dòng)的力主要是慣性力和黏性力，不存在持續(xù)的切向應(yīng)力，所以磨料在直管中的流動(dòng)相對來說比較穩(wěn)定，磨料給微流道內(nèi)壁的壓力相對均勻。

在不同拋光壓力下，微流道直管部分表面的宏觀形貌如圖4 所示。從圖4a 中能清楚地看到，微流道內(nèi)壁是由臺階效應(yīng)形成的材料層，且有許多未熔化的粉末顆粒，表面質(zhì)量很差。當(dāng)拋光壓力為3 MPa 時(shí)，磨料將材料層中較為松散的不銹鋼顆粒沖走，同時(shí)磨料中的磨粒對突起的材料層進(jìn)行了初步的微切削，使得表面的凸起鈍化。當(dāng)拋光壓力達(dá)到4 MPa 時(shí)，微流道內(nèi)壁的光整程度有明顯的改觀，且左邊的光整度明顯優(yōu)于右邊。這是因?yàn)樵谀チ蠌娜肟诹鞯匠隹诘倪^程中，會(huì)有沿程能量的損失，以及磨料在某些局部地方由于管徑（突變、突縮、漸擴(kuò)、漸縮等）和方向（彎頭）的改變而產(chǎn)生局部能量損失[16]。在拋光壓力達(dá)到5 MPa 時(shí)，微流道內(nèi)壁整體呈現(xiàn)出較好的表面質(zhì)量。拋光壓力為6、7 MPa 時(shí)，直管稍微變形。在7 MPa時(shí)，能夠看到微流道內(nèi)壁有明顯的分流痕跡。這是由于磨料在微流道中，由于慣性力的存在，隨機(jī)地作定向流動(dòng)。

圖4 微流道直管部分表面的宏觀形貌Fig.4 Macromorphology diagram of surface quality of straight pipe section of microflow passage: a) sample; b) 3 MPa; c) 4 MPa;d) 5 MPa; e) 6 MPa; f) 7 MPa

對上述不同拋光壓力條件下的微流道內(nèi)壁進(jìn)行表面粗糙度測量，繪制表面粗糙度隨拋光壓力的變化點(diǎn)線圖，并給出了拋光壓力為5 MPa 時(shí)的粗糙度測試曲線，如圖5 所示，研究表面粗糙度隨拋光壓力的變化規(guī)律。從圖5a 中可以看出，在相同的拋光時(shí)間下，微流道內(nèi)壁表面粗糙度隨著拋光壓力的增大而減小。在3 MPa 的時(shí)候，由于微流道樣件有殘余不銹鋼粉末，并且表面較為粗糙，所以粗糙度值變化不明顯；在7 MPa 時(shí)，由于表面質(zhì)量已經(jīng)相對較好，所以表面粗糙度值變化也不明顯。

圖5 微流道內(nèi)壁表面粗糙度的變化及其測試曲線Fig.5 Variation of surface roughness and its test curve of inner wall of microchannel: a) curve of roughness with pressure; b)roughness test curve at 5 MPa

微流道直管部分圓的形狀精度分析截面如圖6所示。微流道樣件直管部分截面形狀的形成主要是由增材制造成形條件決定的，由于增材制造直管成形工藝相對簡單，所以微流道直管部分圓的形狀成形情況較好。從圖6 可以看出，由于磨料在直管部分相對穩(wěn)定地流動(dòng)，所以磨料對直管內(nèi)壁的壓力比較均勻，磨料中磨粒對直管內(nèi)壁的材料去除比較平衡。在對微流道直管部分進(jìn)行有效拋光的情況下，沒有較大程度破壞圓的截面形狀。

圖6 微流道直管部分圓的形狀精度分析截面Fig.6 Section diagram of shape accuracy analysis of microchannel straight pipe circle: a) sample; b) 3 MPa; c) 4 MPa; d) 5 MPa;e) 6 MPa; f) 7 MPa

為研究拋光壓力對微流道直管部分截面形狀的影響規(guī)律，對圓作清晰的描述。本文對微流道直管部分截面圓作最小外接圓和最大內(nèi)切圓，分別測量其直徑，作二者隨拋光壓力的變化點(diǎn)線圖，如圖7 所示。從圖7 中可以看出，在相同的加工時(shí)間（20 min）內(nèi)，不論是最小外接圓直徑，還是最大內(nèi)切圓直徑，都隨著拋光壓力的增加而增大，而且擁有相同的變化趨勢。由此也可說明，磨料對微流道直管部分的拋光是均勻的。

圖7 微流道彎管部分截面圓直徑變化趨勢Fig.7 The trend chart of section diameter of microchannel straight pipe

2.2 對微流道彎管部分表面質(zhì)量和形狀精度的影響

SLM 增材制造微流道彎管部分粗糙度的形成方式有兩種：如果自身實(shí)體能作為下一層的支撐，那么粗糙度的形成原因是臺階效應(yīng)；如果自身實(shí)體不能作為下一層的支撐，那么粗糙度的形成原因則為掛渣[17-20]。由于粗糙度的形成機(jī)理不一樣，所以由此得到的表面質(zhì)量也不一樣。對由不同形成機(jī)理打印出來的微流道樣件彎管部分進(jìn)行粗糙度的測量，由掛渣原因形成的表面粗糙度為2.06 μm，而由臺階效應(yīng)形成的表面粗糙度為0.42 μm。

磨料在彎管部分流動(dòng)與在直管部分流動(dòng)是不同的，由于慣性力的存在，磨料的流動(dòng)呈現(xiàn)出定向性，磨料對彎管外側(cè)壁面的壓力大于對內(nèi)側(cè)壁面的壓力，由此，磨料中磨粒對外側(cè)壁面的拋光效果要優(yōu)于內(nèi)側(cè)壁面。圖8、圖9 分別給出了微流道彎管外側(cè)與內(nèi)側(cè)表面的宏觀形貌。分別對比圖8a、b、c 和圖9a、b、c 可以發(fā)現(xiàn)，圖8a、b、c 中有明顯的顆粒狀凸起，這是由于圖示的微流道彎管外側(cè)表面粗糙度的形成原因是掛渣，而微流道彎管內(nèi)側(cè)表面粗糙度則是由臺階效應(yīng)形成的。由宏觀形貌圖可知，當(dāng)磨粒流拋光壓力為3 MPa 時(shí)，微流道彎管處，不論是彎管內(nèi)側(cè)，還是彎管外側(cè)，表面質(zhì)量都沒有明顯的變化；當(dāng)拋光壓力為4 MPa 時(shí)，微流道彎管內(nèi)側(cè)的“臺階”出現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象，而微流道彎管外側(cè)顆粒狀的凸起被微切削，出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)小平面；當(dāng)拋光壓力為5 MPa 時(shí)，可以看到微流道彎管內(nèi)外側(cè)的表面質(zhì)量都有明顯的改善，且彎管的形狀保持不變；當(dāng)拋光壓力達(dá)到6、7 MPa 時(shí)，雖然表面質(zhì)量依然有所提升，但是此時(shí)的彎管變形嚴(yán)重，特別是拋光壓力為7 MPa 時(shí)，磨料已經(jīng)破壞了微流道的基本形狀，不符合加工的要求。

圖8 微流道彎管外側(cè)表面的宏觀形貌Fig.8 Macroscopic topography of the surface quality of the outside of the microchannel elbow: a) sample; b) 3 MPa; c) 4 MPa; d)5 MPa; e) 6 MPa; f) 7 MPa

圖9 微流道彎管內(nèi)側(cè)表面的宏觀形貌Fig.9 Mcroscopic topography of the surface quality of the inside of the microchannel elbow: a) sample; b) 3 MPa; c) 4 MPa; d) 5 MPa; e) 6 MPa; f) 7 Mpa

為了更好地分析磨粒流對微流道彎管部分的拋光效果，對微流道彎管內(nèi)外兩側(cè)的壁面分別進(jìn)行了粗糙度的測量，并繪制了粗糙度隨拋光壓力的變化點(diǎn)線圖，同時(shí)給出了拋光壓力為5 MPa 時(shí)的粗糙度測試曲線，如圖10 所示。由圖10a 可以看出，微流道彎管外側(cè)粗糙度值隨著拋光壓力的增大而減小。拋光壓力在4 MPa 之前，粗糙度值變化不是很大。當(dāng)拋光壓力為5 MPa 時(shí)，粗糙度值的變化較大，下降了1.24 μm，這與圖8 的宏觀形貌圖顯示情況一致。在6、7 MPa時(shí)，粗糙度值依然下降，但是下降的趨勢減緩，趨向于收斂到一個(gè)最小值。在圖10b 中可以看到，隨著拋光壓力的變化，微流道彎管內(nèi)側(cè)粗糙度值整體呈下降趨勢，說明磨粒流對彎管內(nèi)側(cè)的拋光效果也較為明顯。但由于微流道彎管內(nèi)側(cè)粗糙度的形成方式為臺階效應(yīng)，所以彎管內(nèi)側(cè)的表面質(zhì)量本身優(yōu)于彎管外側(cè)，導(dǎo)致磨粒流拋光后彎管內(nèi)側(cè)的粗糙度值變化不大，約為0.3 μm。

圖10 微流道彎管表面粗糙度的變化及其測試曲線Fig 10 Variation of surface roughness and its test curve of the microchannel elbow: a) curve of outside roughness of elbow with pressure; b) test curve of outside roughness of elbow at 5 MPa; c) curve of inner surface roughness of elbow with pressure; d) test curve of inner surface roughness of elbow at 5 MPa

不同壓力條件下，微流道彎管部分截面圓的形狀如圖11 所示。對比圖11a 彎管部分與圖6 直管部分的截面圓形狀可知，彎管部分截面圓的成形情況要比直管部分截面圓差。究其原因，在此處，彎管外側(cè)粗糙度的形成方式正好由臺階效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閽煸?，而彎管?nèi)側(cè)粗糙度形成方式則由掛渣轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階效應(yīng)，正因?yàn)樵诖颂幋植诙刃纬煞绞降膹?fù)雜轉(zhuǎn)變，造成了圓的成形質(zhì)量相對較差。由圖11 可以看出，當(dāng)拋光壓力為3 MPa 時(shí)，磨粒流的拋光效果不佳，因此微流道彎管部分的截面形狀與微流道樣件相比，差別不大；當(dāng)拋光壓力為4、5 MPa 時(shí)，可以觀察到微流道彎管部分截面形狀的邊緣相對于樣件和3 MPa 時(shí)來說，明顯圓滑許多，而且橢圓的形狀有向左（即微流道彎管外側(cè)）擴(kuò)大的趨勢；當(dāng)拋光壓力為6、7 MPa 時(shí)，可以看到微流道彎管部分截面的邊緣更加圓滑，但是截面形狀發(fā)生較大的改變，且變化的整體趨勢偏向于左邊。由此可以得到，磨料在微流道彎管部分的流動(dòng)有向彎管外側(cè)偏移的趨勢，是磨粒流拋光不均勻性的體現(xiàn)[21]。

圖11 微流道彎管部分圓的形狀精度分析截面Fig.11 Section diagram of shape accuracy analysis of microchannel bend pipe circle: a) sample; b) 3 MPa; c) 4 MPa; d) 5 MPa; e)6 MPa; f) 7 MPa

為了更好地說明拋光壓力對微流道彎管部分截面形狀的影響，對微流道彎管部分的截面作了最小外接圓和最大內(nèi)切圓，并測量其直徑，繪制隨拋光壓力變化的點(diǎn)線圖，如圖12 所示。從圖12 中可以看出，最小外接圓和最大內(nèi)切圓的直徑都隨著拋光壓力的增加而增大。拋光壓力小于5 MPa 時(shí)，直徑的變化趨勢不大；當(dāng)拋光壓力大于5 MPa 時(shí)，不論是最小外接圓，還是最大內(nèi)切圓，其直徑的變化趨勢都十分明顯，且7 MPa 時(shí)要大于6 MPa 時(shí)直徑的變化率。由此可以說明，磨粒流的拋光壓力對微流道彎管處拋光效果的影響顯著，但是隨著拋光壓力的增加，尤其當(dāng)拋光壓力大于5 MPa 時(shí)，會(huì)加劇磨粒流拋光的不均勻性，從而破壞管道的形狀，不能滿足實(shí)際加工的要求。

圖12 微流道彎管部分截面圓直徑變化趨勢Fig.12 The variation trend of the diameter of the section circle of the microchannel elbow

2.3 基于數(shù)值模擬的磨粒流拋光機(jī)理分析

磨粒流加工中，磨粒相當(dāng)于傳統(tǒng)加工中的刀具，所以磨粒的流動(dòng)軌跡即為磨粒流拋光的路徑。為了更好地研究磨粒在微流道中的流動(dòng)軌跡，采用FLUENT軟件對磨粒的流動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真模擬。選用DPM 模型，顆粒相選取SiC 顆粒，其密度為2975 kg/m3，彈性模量為322 GPa，泊松比為0.142，顆粒粒度為600目，介質(zhì)采用航空液壓油。入口為壓力入口，壓力值為5 MPa，出口壓力值為0 MPa，仿真條件與實(shí)驗(yàn)條件一致。微流道的劃分及仿真結(jié)果如圖13 所示。磨粒從錐形入口匯入微流道的AB 直管部分，由于錐形入口的匯集作用，磨粒的濃度隨著錐形截面面積的減小而逐漸增大。在AB 直管部分，磨粒濃度相對較高，且磨粒分布較為均勻，磨粒對微流道的拋光效果也較為均勻；在BC 彎管部分，磨粒與微流道內(nèi)壁發(fā)生碰撞，由于碰撞角度太大，磨粒反射到微流道外側(cè)壁面，沿著彎管的外側(cè)流動(dòng)，且靠近外壁處的磨粒濃度較大；由BC 到CD 段，磨粒始終沿彎管外側(cè)流動(dòng)，且磨粒經(jīng)過多次的反射及碰撞，濃度逐漸均勻，但靠近外側(cè)壁面的磨粒濃度始終大于內(nèi)側(cè)壁面。位置D 為微流道彎管與彎管相接的地方，磨粒的流動(dòng)方向在此處再次改變，磨粒由BD 彎管的外側(cè)過渡到DF 彎管的外側(cè)，沿著DF 彎管的外側(cè)流動(dòng)，且集中分布在外側(cè)靠近壁面的那一層。在BD 和DF 彎管部分，由于慣性力，磨粒始終趨向于沿著彎管的外側(cè)流動(dòng)。由仿真結(jié)果可知，相較于外側(cè)來說，彎管內(nèi)側(cè)磨粒的流動(dòng)軌跡要稀疏一些，所以磨粒在彎管外側(cè)的拋光作用更明顯，這是磨粒流拋光不均勻性的體現(xiàn)。在FG 直管部分，磨粒剛由彎管過渡到直管時(shí)，與直管壁面發(fā)生碰撞，此時(shí)的磨粒分布較為不均勻，對于壁面的拋光也呈現(xiàn)出不均勻性，之后隨著磨粒的流動(dòng)，逐漸分布均勻[22-25]。

圖13 微流道的劃分及仿真結(jié)果Fig.13 The division and simulation results of microchannel:a) schematic diagram of microchannel division; b) cloud chart of particle trajectory and concentration distribution

3 結(jié)論

1）利用FLUENT 軟件模擬磨粒在微流道中的流動(dòng)軌跡，揭示了磨粒流拋光技術(shù)在微流道彎管拋光過程中呈現(xiàn)出的不均勻性，解釋了磨粒流拋光中彎管外側(cè)質(zhì)量優(yōu)于內(nèi)側(cè)的現(xiàn)象。

2）對微流道直管部分和彎管部分的粗糙度形成機(jī)理進(jìn)行了簡單的分析。根據(jù)在增材制造的過程中，自身實(shí)體能否作為鋪粉時(shí)下一層的支撐，可將粗糙度的形成機(jī)理大致分為臺階效應(yīng)和掛渣兩種，且由臺階效應(yīng)形成的表面的質(zhì)量要優(yōu)于由掛渣形成的表面。

3）得到了微流道直管部分的表面質(zhì)量和管道的形狀精度隨拋光壓力的變化規(guī)律。磨粒流拋光過程中，拋光壓力對拋光效果的影響顯著，且從微流道截面圓的形貌圖可以觀察到直管部分的管道形狀沒有明顯的變形，說明磨料在微流道直管部分的拋光相對均勻。

4）得到了微流道彎管部分的表面質(zhì)量和管道的形狀精度隨拋光壓力的變化規(guī)律。不論彎管內(nèi)側(cè)，還是彎管外側(cè)，其表面粗糙度都隨拋光壓力的增大而減小，彎管內(nèi)側(cè)粗糙度值減小量較少。微流道彎管部分截面圓的最小外接圓和最大內(nèi)切圓的直徑隨著磨粒流拋光壓力的增大而增大，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，磨粒流拋光的不均勻性增強(qiáng)，彎管變形嚴(yán)重，不能滿足實(shí)際加工要求。

5）本研究的不足之處在于沒有對拋光不均勻現(xiàn)象給出應(yīng)對策略，通過采用超聲輔助以及雙向磨粒流拋光的方法有望改善彎管處拋光不均勻現(xiàn)象。