近年來，增材制造的使用率越來越多。這種基于堆積離散原理，在軟件和數(shù)控系統(tǒng)控制下以高能束為熱源將絲材/粉末材料熔化逐層堆積成形的制造工藝，由于無需傳統(tǒng)道具和夾具以及多道加工工序，還能顯著提高原材料的使用率，減少加工時(shí)間和成本，因此受到了業(yè)界的普遍歡迎。

激光沉積過程

不過隨著制造能力的提高，業(yè)界也對(duì)增材制造件等復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)件表面拋光質(zhì)量、拋光要求等都提出了更高的要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件，大多還可以只用機(jī)加工進(jìn)行處理；但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬粉直接成型件、修復(fù)件、精密鑄造件等，如果只用機(jī)加工處理，由于表面粗糙度較大，是無法直接應(yīng)用的。

經(jīng)處理后的零件表面效果

如航空航天領(lǐng)域中的渦輪葉片、燃油噴嘴、燃燒室導(dǎo)流襯套、飛機(jī)機(jī)艙隔板等，都是采用增材制造技術(shù)成形，并獲得工程應(yīng)用的典型零件。航空航天零件的設(shè)計(jì)與制造最大的挑戰(zhàn)就是在確保一定的強(qiáng)度和性能的前提下優(yōu)化重量，主要靠的就是仿生拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)——在不損失力學(xué)性能的前提下，重量可減輕多達(dá)70%（結(jié)構(gòu)中含有通道、多孔、柵格等設(shè)計(jì)）。但這些復(fù)雜構(gòu)件的內(nèi)表面的表面質(zhì)量往往都很差，會(huì)制約其在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

總之，為了讓增材制造能真正用于實(shí)際，能提高表面質(zhì)量和光潔度的拋光處理是生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)，其地位和作用越來越重要。

有哪些拋光工藝可選？

目前，傳統(tǒng)的機(jī)械表面拋光技術(shù)（銑削、噴砂、振動(dòng)磨削和微加工等）已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效拋光效果，但它們?cè)谔幚韽?fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上很難取得很好的效果。因此業(yè)界又研發(fā)出了適用于復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)上的化學(xué)、電化學(xué)、磨粒流和激光拋光等非傳統(tǒng)表面拋光方法，以下是這些拋光工藝的詳情。

增材制造表面拋光技術(shù)發(fā)展過程

一、傳統(tǒng)表面拋光技術(shù)

手工拋光質(zhì)量很大程度上取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)，重復(fù)性和一致性差，人工和時(shí)間成本高，并且拋光過程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體健康有害。此外，噴砂主要是為了讓表面質(zhì)量更均勻，它和CNC磨削對(duì)內(nèi)表面復(fù)雜、多孔結(jié)構(gòu)的零件加工可達(dá)性較差，因此一般用于零件外表面的清潔和拋光以及去除氧化層。

二、非傳統(tǒng)表面拋光技術(shù)

1、化學(xué)拋光

化學(xué)拋光(Chemical Polishing，CP)是在合適的化學(xué)試劑作用下使得試樣表面選擇性溶解凹凸不平區(qū)域的不規(guī)則表面、浸蝕整平的一種方法。粗糙表面凸起部位優(yōu)先溶解，在溶解過程中氧化膜生成和溶解同時(shí)存在，但溶解速率有差異。

化學(xué)拋光過程中不同類型表面缺陷溶解順序

化學(xué)拋光有時(shí)會(huì)造成拋光后零件表面質(zhì)量更差的現(xiàn)象，因?yàn)榱慵砻娴膬?nèi)部缺陷在拋光后都出現(xiàn)在表面導(dǎo)致表面粗糙度變大。對(duì)于這種情況在化學(xué)拋光前引入熱處理、熱等靜壓可以有效去除內(nèi)部缺陷。

2、電化學(xué)拋光

電化學(xué)拋光（也稱電解拋光）是指在一定電解液中被拋光工件連接陽(yáng)極，發(fā)生有選擇性溶解，同時(shí)在金屬表面會(huì)發(fā)生氧化膜的生成和溶解，從而降低其表面粗糙度、提高光亮度的表面拋光技術(shù)。電解拋光后的表面粗糙度與電解液成分、溫度、拋光時(shí)間、陽(yáng)極電流密度等密切相關(guān)。

電化學(xué)拋光原理

3、磨粒流拋光

磨粒流拋光(Abrasive Flow Machining，AFM)最早由美國(guó)Extrude Home公司為航空航天領(lǐng)域合金零件的表面處理開發(fā)的精準(zhǔn)可控的超精密流體拋光技術(shù)，是以具有一定粘性的流體作為載體，攜帶硬質(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(duì)零件表面進(jìn)行加工的一種方法。其原理如圖所示。

磨粒流拋光原理圖

在一定壓力下黏彈性磨粒作為可隨形變化的加工刀具不斷往復(fù)流經(jīng)被加工表面，從而完成對(duì)零件待加工表面的拋光加工。磨粒流拋光技術(shù)對(duì)于“階梯效應(yīng)”產(chǎn)生的粗糙表面的拋光效果很好，磨粒粒徑和濃度、加工循環(huán)次數(shù)、增材制造方向等都是影響拋光過程中材料去除率的重要因素。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的磨料流拋光效果

4、激光拋光

激光拋光(Laser Polishing，LP)原理如圖所示，通過控制激光光束直徑、照射在表面上的時(shí)間、激光功率等工藝參數(shù)控制能量密度的輸入，使零件表面材料重新融化并在重力和熔池表面張力的作用下快速冷凝成光滑的表面。激光拋光是微觀層面上的快速熔化和凝固的過程，激光束能量必須足以融化粗糙表面的波峰，但不能超過波谷的深度。一旦參數(shù)設(shè)置的不合理，能量密度過高造成更深層材料的熔化會(huì)導(dǎo)致粗糙度的增加。

激光拋光原理圖

三、復(fù)合拋光技術(shù)

由于航空航天領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃炝慵氖褂靡笤絹碓礁撸虼似胀▎我坏膾伖夥椒ㄐЧ疾槐M如人意，因此近年來也相繼出現(xiàn)引入超聲波、磁場(chǎng)、脈沖等技術(shù)輔助拋光以進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和光潔度。

另外，將多種拋光技術(shù)混合起來也是主要趨勢(shì)，如化學(xué)-機(jī)械拋光、電化學(xué)-機(jī)械拋光、化學(xué)-電化學(xué)拋光、化學(xué)-磨粒流拋光、磁場(chǎng)電化學(xué)拋光等。這種做法既可以利用不同的拋光加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，又避免了單一拋光加工工藝的局限性，在精確控制高精度的同時(shí)提高加工效率。這種復(fù)合拋光技術(shù)必將是航空航天等領(lǐng)域中復(fù)雜零件的超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)之一。

結(jié)語(yǔ)

以上就是適用于增材制造復(fù)雜金屬件的拋光工藝的簡(jiǎn)單總結(jié)。另外，高質(zhì)量的表面拋光技術(shù)離不開相應(yīng)的高性能的設(shè)備，因此開發(fā)智能化表面拋光裝備也是解決金屬增材制造零件所具有的形狀復(fù)雜難以拋光問題的重要突破口。

資料來源：

姚燕生,周瑞根,張成林,等. 增材制造復(fù)雜金屬構(gòu)件表面拋光技術(shù)[J]. 航空學(xué)報(bào),2022,43(4):237-249.

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