SLM 零件的磨粒流動輔助電化學復合拋光方法研究

江 劍，徐正揚，王 震

（ 南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016 ）

增材制造（additive manufacturing，AM）技術又稱3D 打印， 是一種基于三維數字化模型并將其轉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[1]。 金屬增材制造技術具有可成形復雜結構、結構輕量化、加工效率高等優勢，在航空航天、醫療植入物、智能制造等領域顯現了良好的應用場景[2]。

雖然金屬增材制造技術具有如此巨大的潛力，但零件內部孔隙和表面缺陷（球化效應、粉末黏附等） 的存在仍然制約著該技術在各領域的廣泛應用。例如，通過選區激光熔化（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， 改善其表面質量， 達到航空航天等領域的較高表面粗糙度要求，合適的后續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]、化學拋光[6]、磨料流拋光[7]、電化學拋光等。其中砂輪/砂帶只能用于簡單外表面的拋光，難以拋光具有復雜結構和內表面的零件。 化學拋光常使用酸性溶液，會導致環境污染[5]。 磨料流拋光利用高黏度的介質作為載體具有較好的加工可達性，通過磨料的往復磨削作用改善零件的表面粗糙度。 與傳統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， 并研究了近壁區的微切削原理。

電化學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]提出了脈沖電化學拋光方法，提高了傳統電化學拋光的加工效率及表面質量。 周錦進等[13]研究了使用懸浮磨粒電解液的電化學機械光整加工方法，改造了不銹鋼鏡面板生產線。

本文將軟性磨粒流加工與電化學拋光相結合，提出一種新型電化學機械復合拋光方法，利用電化學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，改善表面質量。

1 復合拋光原理

圖1 是磨粒流動輔助電化學復合拋光的加工原理。 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， 阻礙電化學反應的持續進行，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工件表面，磨粒的機械作用既能優先去除工件表面凸起處的鈍化膜，增大電化學溶解速率，又能直接去除金屬材料，因此，通過磨粒和電化學持續不斷的復合作用，能夠實現工件表面的平整。

圖1 復合拋光原理圖

2 試驗方法

2.1 試驗裝置

復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液體進行冷卻，并且環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物、分離磨粒和電解液，以實現混合電解液的循環使用。

圖2 復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。復合拋光采用質量分數10%的NaNO3溶液為電解液，工作溫度25℃，其他加工參數見表1。

表1 復合拋光加工參數

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變化對表面質量改善效果的影響，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）和工件質量變化值Δm（工件初始質量-工件加工后質量）作為評價指標。

3 結果與討論

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”“球化效應”“黏附粉末”等，這些表面缺陷產生于增材制造零件特殊的成形過程中。 根據圖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，呈現出分塊的磨粒沖擊區域。 根據圖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溶解形成的孔隙，說明原始表面的大量凸起發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，復合拋光過程中的電化學溶解更為劇烈， 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。根據圖5d，復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。 可發現，復合拋光后的粗糙度變化值ΔRa和質量變化值Δm最大，說明單位時間內的復合拋光效率更高，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量改善和材料去除的效果較微弱，主要起到輔助電化學拋光的作用。 此外可見， 復合加工后的ΔRa和Δm要大于其他兩種加工方式的變化值之和，這也從側面說明磨粒磨削和電化學溶解之間不僅是疊加作用，還存在復合作用，即磨粒能去除工件表面生成的鈍化膜，增強電化學溶解作用。

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

在復合加工過程中，加工電壓主要影響電化學陽極溶解的速率。 試驗選取尺寸為500 目的SiC 磨粒，設定加工時間為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??；在加工電壓為18 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??；隨著電壓升高，電化學溶解作用增強，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；隨著電壓繼續升高，電化學溶解作用繼續增強，工件的表面缺陷和基體均溶解，ΔRa減小。 因此，過高的電壓會導致工件表面粗糙度值增大、表面質量變差。

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合拋光效果的影響，需在加工中突顯磨粒磨削的作用，故設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果見圖8?？芍?，當磨粒尺寸為180 目時，復合加工后的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，在試驗過程中發現180 目的磨粒難以攪拌充分，易產生沉淀，這會影響拋光的均勻性和一致性，綜合試驗結果來看，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試驗。

3.4 電解液壓力對拋光效果的影響

采用質量分數為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 條件下開展復合拋光試驗，結果見圖9。 可發現，隨著入口處電解液壓力的增加，復合拋光后的工件表面粗糙度變化值和質量變化值逐漸增大， 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物，使電化學反應更加充分、材料去除更快、表面粗糙度值更快降低、表面質量更好。

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 的條件下連續開展復合加工試驗，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； 此后若繼續加工，工件表面會發生不均勻溶解，表面質量變差，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

根據上述單因素試驗結果，選取較優的加工參數，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 不銹鋼工件的復合拋光試驗， 得到的復合拋光工件表面粗糙度為Ra1.812 μm。

為了進一步改善SLM 工件的表面質量，提出分階段復合拋光方法，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?！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，經過高電壓復合拋光5 min 后， 工件表面未完全熔化的粉末發生溶解，表面凸起的高度降低，但仍存在凹凸不平現象；從圖12c 可見，再經過小電壓拋光5 min 后，工件表面變得相對平整， 其輪廓高度差繼續減小，表面質量得到進一步改善。

圖12 分階段拋光時工件表面三維形貌的變化

4 結論

（1）磨粒流動輔助電化學復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量。 與純磨粒磨削和純電解加工相比，復合拋光后的SLM 316L 不銹鋼工件表面粗糙度值更低，拋光效果更好。

（2）單因素試驗結果表明，電壓增大時，復合拋光效率提高， 但電壓過大會使工件表面質量變差；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先減小后增大的變化趨勢。

（3）分階段拋光試驗結果表明，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上，通過選取合適的第二階段低電壓繼續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。