По сравнению с другими традиционными процессами удаления материала, такими как фрезерование и токарная обработка, шлифование обычно обеспечивает лучшее качество поверхности и характеристики целостности поверхности. Инженеры, чтобы лучше понять, что такое обработкав отношении деталей из суперсплавов на основе никеля, используемых в аэрокосмической отрасли провели исследование чистовой шлифовки образцов Inconel 718, изготовленных с добавками.
Инженеры искали ответы на три соответствующих вопроса:
Каков минимальный запас / припуск, который должен быть обработан после аддивного производства?
Какой диапазон обработки поверхности можно получить путем шлифования изготовленного с добавками компонента с помощью абразивных шлифовальных кругов последнего поколения?
Каково влияние остаточных напряжений поверхности на компонент AM после чистового шлифования, если таковое имеется?
Проведение испытаний обработки деталей после аддивного изготовления
Образцы AM IN718, изготовленные с использованием процесса прямого металлического лазерного спекания (DMLS). После изготовления добавок эти образцы были подвергнуты струйной обработке и прошли разгрузку от напряжения, горячее изостатическое прессование, обработку растворами / отжиг и отверждение при осаждении. Твердость образцов составила 40 HRC. Затем образцы были обработаны с помощью шлифовального круга Norton NQX60E24VTX2 на шлифовальной машине Magerle MFP-125.50.65.
Во-первых, несколько участков шлифовали с постепенно увеличивающейся глубиной резания, чтобы определить минимальный запас, который необходимо удалить для очистки поверхности, изготовленной с добавками. После каждого шлифования на определенной глубине резания поверхности просматривали на наличие дефектов.
Результаты испытаний определили, что для устранения любых геометрических несоответствий и поверхностных дефектов, связанных с процессом изготовления добавки, из компонента необходимо удалить приблизительно от 0,30 до 0,45 мм припуска с заготовки.
Для этого теста длина шлифования составляла 50,8 мм, а диаметр шлифовального круга составлял 462 мм при скорости 23 м / с. Всего было протестировано пять удельных скоростей удаления материала (MRR) в диапазоне от 0,1 мм3 / сек / мм до 3,9 мм3 / сек / мм. MRR регулировали путем изменения скорости подачи (мм / мин) или глубины резания (мм). Многократные скорости удаления материала были испытаны, чтобы оценить влияние низких и средних MRR на чистоту поверхности и мощность шлифования.
В то время как сплавы на основе никеля, такие как Inconel 718, можно шлифовать с высокими скоростями удаления с использованием современных инженерных абразивов, MRR, выбранные в этом исследовании, были ниже, исходя из типичных скоростей чистовой обработки, используемых в промышленных процессах, которые сейчас используются для обработки стандартных заготовок Inconel.Исходя из шлифования стандартных (не AM) заготовок, ожидаемые результаты состояли в том, что с увеличением MRR чистота поверхности (Ra) шлифованных заготовок будет увеличиваться или становиться более грубой по мере увеличения мощности шлифования.
Обработанные поверхности заготовок измерялись до и после шлифования с использованием системы профилометра Federal Contact 5000. Измерения проводились в нескольких местах и в двух направлениях на заготовке. Бесконтактные измерения поверхности профилометра также проводились в нескольких местах.
Оценка поверхности материала AM до шлифования показала, что она значительно отличается в зависимости от направления измерения. При измерении по длине средняя чистота составила 3,3 микрон Ra, а при измерении по ширине средняя чистота составила 2,1 микрон Ra. Эта большая разница обычно не наблюдается при измерении стандартного литого материала Inconel 718. Похоже, что это связано с методом 3D-производства, но точная причина в настоящее время неизвестна.
Обычный метод с использованием контактного профилометра для измерения чистоты поверхности шлифовки берет след, перпендикулярный линиям шлифования, в отличие от измерений, параллельных линиям шлифования. В этом исследовании измеряли чистоту поверхности в параллельном и перпендикулярном направлениях к линиям шлифования. Результаты после обработки затем сравнивались с измерениями до и после продольной и поперечной шлифовки.
Важно понимать, что при измерении поверхности в перпендикулярном направлении к линиям датчика перемещается по пикам и впадинам линий. Принимая во внимание, что при измерении в параллельном направлении датчика перемещается параллельно линиям шлифования, никогда не пересекая пики и впадины. Таким образом, перпендикулярные измерения, проведенные в этом исследовании, имели значительно более высокие (более грубые) результаты обработки поверхности по сравнению с измерениями, проведенными в параллельном направлении, как и следовало ожидать.
Оценка чистоты поверхности материала AM перед шлифованием и после шлифования показала, что шлифование значительно улучшило качество поверхности. Это было верно для измерений в параллельном и перпендикулярном направлениях. При измерении в параллельном направлении средняя чистота поверхности составляла 3,3 микрон Ra до шлифования и 0,21 микрон Ra после шлифования. При измерении перпендикулярно направлению шлифования чистота поверхности составляла в среднем 2,1 мкм Ra до шлифования и всего 0,5 мкм Ra после шлифования.
Образцы добавок также анализировали с использованием поверхностного профилометра Nanovea 3D, метода хроматической аберрации белого света, чтобы получить визуальное представление характеристик поверхности. Рисунок 9 - трехмерный график поверхности образца АМ, взятого до обаработки , в состоянии «как получено» и после обработки.
Для этого испытания образец АМ в состоянии «как получено» подвергался струйной обработке стеклянной средой для снятия высоких пиков с поверхности. Линии, которые видны на поверхности, взятом после шлифования, являются линиями от операции шлифования. Шлифовальные круги с более мелкими абразивными зернами или другими абразивными продуктами, такими как сконструированные абразивные ленты, могут использоваться для дальнейшего уменьшения линий укладки и создания суперобработанной поверхности, если это является критическим требованием к характеристикам и качеству компонента.
Чтобы понять влияние шлифования на общую целостность поверхности образца AM IN718, поверхностные остаточные напряжения образцов AM были измерены с помощью микродифракционного оборудования Bruker-AXS D8 Discover в состоянии «как получено», а также после шлифования. Сравнение измерений, проведенных в обоих условиях в шести разных местах на одном и том же образце, показывает, что приповерхностные остаточные напряжения являются отрицательными / сжимающими как в состоянии «как получено», так и в состоянии «после шлифования».
Это типично для компонентов после финишного шлифования, где обнаруживается, что приповерхностные остаточные напряжения имеют сжимающий характер, что способствует усталостному сроку службы за счет замедления распространения поверхностных трещин.
Мощность шлифования была измерена для всех пяти скоростей удаления материала, протестированных в этом исследовании. С увеличением MRR мощность шлифования также увеличивается. Такое поведение типично для большинства операций шлифования. При самой низкой скорости 0,1 мм3 / сек / мм пиковая потребляемая мощность во время обработки составляла 1,4 кВт. При максимальной скорости удаления материала 3,9 мм3 / сек / мм мощность обработки составляла 10,8 кВт.
Результаты испытаний
Результаты этого исследования доказали, что чистовое шлифование аддитивно изготовленных суперсплавов на основе никеля, таких как Inconel 718, может быть успешно использовано для достижения уменьшения шероховатости поверхности примерно на 94 процента при измерении параллельно линиям шлифования и примерно на 34 процента при измеряется перпендикулярно направлению обработки. При необходимости можно использовать шлифовальные круги с более мелкими абразивными зернами или другими абразивными продуктами, например, сконструированными абразивными лентами.
Результаты этого исследования доказали, что приблизительно 0,30–0,45 мм заготовки необходимо удалить из детали, чтобы получить улучшенную чистоту поверхности и устранить любые геометрические несоответствия, связанные с трехмерным производственным процессом. Минимальные требования к припуску являются критически важной информацией для производителей добавок, так как они стремятся сделать компоненты AM как можно ближе к почти чистой форме, чтобы быть экономически эффективными.
Кроме того, данные остаточных напряжений показали, что поверхностные напряжения после шлифования носили сжимающий характер, что указывает на полезное влияние на замедление распространения поверхностных трещин и, таким образом, продление усталостного ресурса изготовленных компонентов.
