Выбор наилучшего процесса абразивной обработки для 3D печатных деталей

Мы провели исследование для мелкосерийных партий деталей полученных  3D-печатью из металла, чтобы изучить использование шлифования с ЧПУ для обработки 3D-печатных деталей.

Изготовление деталей с криволинейными поверхностями

Рис.1: испытания, проведенные на этих 3D-печатных деталях из материала Inconel 718 с криволинейными поверхностями, показали, что точечные гальванические шлифовальные круги СBN обеспечивают хорошую чистоту поверхности и имеют длительный срок службы, что делает их хорошим вариантом для обработки 3D-печатных деталей с жесткими допусками, изготовленных из труднообрабатываемых материалов. Изображения предоставлены Norton Saint Gobain

Гальванические или стеклообразные шлифовальные круги СBN широко используются для шлифования деталей Inconel 718 (IN718), причем процессы варьируются от удаления тяжелого штока до прецизионной обработки с жесткими допусками.

Мы изготовили в RenAM500Q с помощью лазерного порошка  детали из материала IN718  с фаской и криволинейной поверхностью, как показано на рисунке 1. После печати детали подвергались термообработке в течение цикла снятия напряжений после сборки при температуре 900°C в течение 45 минут, а затем азотом охлаждались до комнатной температуры. После термической обработки мы обнаружили, что средняя шероховатость поверхности (Ra) составляет около 14 микрометров, измеренная с помощью вариационного микроскопа Alicona Infinite Focus SL focus variation. В этом исследовании измерение Ra используется для характеристики обработки поверхности, поскольку оно представляет собой шероховатость всей поверхности и не зависит от направления измерения, в то время как измерение Ra вдоль линии может зависеть от анизотропной текстуры поверхности.

В таблице 1 приведены условия обработки, при которых охлаждающая жидкость представляла собой 5% эмульсию (растворимую в воде). Выбор СОЖ должен был облегчить очистку деталей после шлифования. Хотя круги СBN лучше работают с  масляной охлаждающей жидкостью, но это затрудняет очистку деталей, особенно для сложных форм и труднодоступных элементов, типичных для 3D-печатных деталей. Поэтому СОЖ на масляной основе в данном исследовании не рассматривалась.

Таблица 1: шлифовальный круг и состояние процесса в эксперименте по шлифованию с ЧПУ

Детали из IN718 со скошенными и криволинейными поверхностями были успешно отшлифованы до поверхности толщиной 1,2-1,5 микрометра Ra. В ходе шлифовального эксперимента автоматизированная измерительная система инструмента Blum, установленная на станке, измеряла износ шлифовального круга. Хотя система измерения инструмента первоначально была разработана для фрезерных и токарных инструментов, это исследование показало, что она может быть адаптирована для шлифовальных кругов. Интеграция этого типа измерений с контроллером станка позволяет автоматизировать компенсацию износа колес.

График, показывающий измеренный износ круга в зависимости от длины пути шлифования

Рис.2: Этот график измеренного износа круга и длины пути шлифования показывает, что при глубине резания 0,2 мм износ инструмента был быстрым как на скошенных, так и на криволинейных поверхностях, а обработка поверхности ухудшалась по мере износа круга. Уменьшение глубины реза до 0,1 мм значительно снижает износ круга.

При глубине резания 0,2 мм и скорости подачи 150 мм/мин износ инструмента был относительно быстрым при шлифовании как скошенных, так и криволинейных поверхностей. Поверхностная обработка ухудшилась, когда уменьшение диаметра круга стало примерно 45 микрометров, после примерно 8 метров обработанного расстояния шлифования. При той же скорости подачи, уменьшении глубины резания с 0,2 до 0,1 мм значительно снижается износ круга до менее чем 10 микрометров после 10 метров шлифования.

Мы также проводили фрезерные эксперименты с использованием твердосплавного инструмента с покрытием TiAlN и технологических условий, рекомендованных Hoffmann Group (скорость подачи 174 мм/мин и глубина резания 0,2 мм). Эти исследования показали сходство обработки поверхности и износа инструмента с шлифованием. В то время как фрезерование позволяет достичь большей глубины резания (0,2 мм против 0,1 мм), шлифование имеет потенциальное преимущество в стоимости: шлифовальный круг, используемый в исследовании, стоил всего около 850 рублей, по сравнению с примерно 3500 рублями за соответствующий фрезерный инструмент.

Исследования показали, что гальванические диски СBN могут достигать хорошей обработки поверхности и длительного срока службы при шлифовании IN718 и других труднообрабатываемых материалов. Совместимость с водорастворимой охлаждающей жидкостью и контролем износа инструмента делает  шлифовальные круги СBN привлекательным выбором для обработки 3D-печатных деталей. Преимущество шлифования перед фрезерованием или другой механической обработкой дополнительно подчеркивается на закаленных металлах. Для 3D-печатной детали с почти сетчатой формой постобработка может быть оптимизирована путем прямой термообработки печатных деталей без механической обработки в мягком состоянии, а затем обработки термообработанных деталей шлифованием.