SLM 零件的磨粒流動輔助電化學(xué)復(fù)合拋光方法研究

江 劍，徐正揚，王 震

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

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)又稱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“分層制造，逐層疊加”直接制造出實體零件的技術(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，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性，通過磨料的往復(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，計時鳴等[8-9]提出了軟性磨粒流的加工方法，使用具有弱黏性的固-液兩相流對模具表面進行拋光， 并研究了近壁區(qū)的微切削原理。

電化學(xué)拋光是一種基于陽極溶解去除金屬材料的方法， 去除的金屬以離子形式進入電解液，所以拋光表面無劃痕，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。 周錦進等[13]研究了使用懸浮磨粒電解液的電化學(xué)機械光整加工方法，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)機械復(fù)合拋光方法，利用電化學(xué)陽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 是磨粒流動輔助電化學(xué)復(fù)合拋光的加工原理。 在加工過程中，工件和工具分別連接電源的正極和負極， 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，金屬表面還會生成一層很薄的鈍化膜， 阻礙電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進行，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 試驗方法

2.1 試驗裝置

復(fù)合拋光試驗裝置和工件安裝方式分別見圖2和圖3。該試驗裝置主要由混合槽、攪拌器、冷水機、加熱器、板框過濾器、濾芯式過濾器、加工平臺和直流電源等組成。 磨粒和電解液在混合槽中得到充分攪拌，形成固液兩相流。 在加工過程中，通過渣漿泵（H=120 m，Q=15 m3/h）將混合液抽入固定在加工平臺上的夾具，工具陰極連接電源負極，工件連接電源正極。 由于加工過程中會不斷放熱，需要使用冷水機對槽內(nèi)液體進行冷卻，并且環(huán)境溫度較低時可使用加熱器對電解液進行升溫。 此外，加工一段時間后，可通過板框過濾器和濾芯式過濾器濾除電解產(chǎn)物、分離磨粒和電解液，以實現(xiàn)混合電解液的循環(huán)使用。

圖2 復(fù)合拋光試驗裝置示意圖

圖3 夾具和工件安裝示意圖

2.2 工件和試驗方案

試驗時， 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。

試驗首先對比純磨粒磨削加工、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間對拋光效果的影響。復(fù)合拋光采用質(zhì)量分數(shù)10%的NaNO3溶液為電解液，工作溫度25℃，其他加工參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合拋光加工參數(shù)

試驗前后用VHX-6000 超景深三維顯微鏡觀察工件加工表面形貌，用M300C 表面粗糙度儀測定工件表面粗糙度Ra（測量三次取平均值）。由于每個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）作為評價指標。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同加工方式的拋光效果對比

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， 這說明SLM成形工件的表面凹凸不平、十分粗糙。

從圖4b 可見，經(jīng)過磨粒的沖擊和磨削，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金屬表面鈍化膜具有去除作用，復(fù)合拋光過程中的電化學(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，說明單位時間內(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，說明磨粒磨削對表面質(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， 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，增強電化學(xué)溶解作用。

圖6 不同加工方式對拋光效果的影響

3.2 加工電壓對拋光效果的影響

在復(fù)合加工過程中，加工電壓主要影響電化學(xué)陽極溶解的速率。 試驗選取尺寸為500 目的SiC 磨粒，設(shè)定加工時間為5 min、壓力為0.8 MPa，在表1所示多種電壓下對增材制造的316L 不銹鋼工件進行拋光，得到的工件去除質(zhì)量和表面粗糙度變化值見圖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?。辉诩庸る妷簽?8 V 時，ΔRa最大，此時工件表面粗糙度值最小。 分析原因如下：當電壓較低時，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，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，工件的表面缺陷和基體均溶解，ΔRa減小。 因此，過高的電壓會導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大、表面質(zhì)量變差。

圖7 加工電壓對拋光效果的影響

3.3 磨粒尺寸對拋光效果的影響

為了探究磨粒尺寸對復(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大。在加工電壓為6 V、壓力為0.8 MPa、時間為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)果見圖8?？芍斈チ３叽鐬?80 目時，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。 這是因為，磨粒尺寸越大，磨粒的動能越大，磨粒磨削沖擊的作用更強烈，由此材料去除得更快、表面粗糙度值降低得也更快；對于尺寸較小的磨粒而言，其磨削作用相對較弱， 與工件表面凸起處的接觸面積也較小，材料去除更慢。 由此，對于表面較粗糙的零件，需選取較大尺寸的磨粒進行加工。

圖8 磨粒尺寸對拋光效果的影響

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

3.4 電解液壓力對拋光效果的影響

采用質(zhì)量分數(shù)為10%的NaNO3溶液，在電壓為12 V、時間為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 條件下開展復(fù)合拋光試驗，結(jié)果見圖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， 這是因為電解液壓力升高后，兩相流液體的流速隨之增大，磨粒的沖擊和磨削作用增強，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 電解液壓力對拋光效果的影響

3.5 加工時間對拋光效果的影響

為了探究加工時間對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)開展復(fù)合加工試驗，每隔2 min 測量一次表面粗糙度，得到的不同電壓下表面粗糙度隨著時間變化的曲線見圖10。 可知，當加工電壓較小時（如5、9 V），工件表面粗糙度值隨著加工時間增加而緩慢下降；當加工電壓為15、18 V 時，工件表面粗糙度值在幾分鐘內(nèi)迅速下降， 然后隨著加工時間增加反而上升。分析原因如下：在低電壓時，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； 當電壓升高后，電化學(xué)作用增強，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，但存在一個最低表面粗糙度值； 此后若繼續(xù)加工，工件表面會發(fā)生不均勻溶解，表面質(zhì)量變差，表面粗糙度值增大。

圖10 加工時間對拋光效果的影響

3.6 分階段拋光試驗

根據(jù)上述單因素試驗結(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、加工時間5 min，進行增材制造316L 不銹鋼工件的復(fù)合拋光試驗， 得到的復(fù)合拋光工件表面粗糙度為Ra1.812 μm。

為了進一步改善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“黏附顆粒”等大尺寸缺陷，迅速降低表面粗糙度值，隨后保持其他條件不變，選取多個低電壓分別進行試驗，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比。 可見，第二階段加工電壓為5 V 時，拋光后的工件表面粗糙度值最低（Ra1.226 μm），說明通過選取合適的第二階段加工電壓，可以進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，SLM 工件原始表面非常粗糙；從圖12b 可見，經(jīng)過高電壓復(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，再經(jīng)過小電壓拋光5 min 后，工件表面變得相對平整， 其輪廓高度差繼續(xù)減小，表面質(zhì)量得到進一步改善。

圖12 分階段拋光時工件表面三維形貌的變化

4 結(jié)論

（1）磨粒流動輔助電化學(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）單因素試驗結(jié)果表明，電壓增大時，復(fù)合拋光效率提高， 但電壓過大會使工件表面質(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；加工電壓較小時的表面粗糙度值隨著加工時間增加而緩慢下降，電壓較大時的工件表面粗糙度值隨著加工時間增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

（3）分階段拋光試驗結(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，通過選取合適的第二階段低電壓繼續(xù)拋光能進一步降低工件表面粗糙度值； 當高低電壓組合為18 V和5 V 時， 工件表面粗糙度由Ra8.162 μm 降至Ra1.226 μm。