3D打印的金屬部件后期精加工工作量很低，磨削有潛力成為滿足最終公差的有效解決方案。

增材制造在航空航天和醫療市場的廣泛使用促使人們不斷提高對精加工增材部件表面的要求，以滿足最終應用需求。增材制造工藝能夠生產出接近最終形狀的組件，顯著降低了最終精加工的需求。通過增材制造，可以降低材料浪費率，有利于整體制造工藝，但是這也意味著后續的精加工過程對后處理技術和一致性的要求越發嚴苛。因此，需保證后處理的一致性，滿足部件公差和表面質量要求。在對公差和表面提出更高要求的應用中，磨削可以是增材制造的另一個有效選擇。

與其他傳統材料去除工藝相比，磨削得到的表面質量和完整性更好。為了進一步了解增材制造的精加工，尤其是應用于航空航天業中的鎳基高溫合金部件時，Norton|Saint-Gobain公司的工程師對采用增材制造的Inconel 718樣品進行了精磨削研究。研究主要圍繞3個問題展開：需要從增材制造的部件上磨掉的最低材料量/體積是多少？使用最新一代的砂輪對增材制造的部件進行磨削可以達到怎樣的表面光潔度？第三，精磨削對增材制造組件的表面殘余應力（如有）有什么影響？

采用直接金屬激光燒結（DMLS）工藝制造的AM IN718樣品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。圖1所示為增材制造測試樣品。增材制造后，對樣品進行介質噴砂處理，完后消除應力。接著是熱等靜壓、固溶處理/退火和沉淀硬化處理。樣品硬度為40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技術中心的Magerle MFP-125.50.65間歇進給磨削機上的Norton NQX60E24VTX2砂輪進行樣本磨削，圖2和圖3所示為測試設置。

圖1 磨削前的AM Inconel 718測試樣品

圖2 整機設置

圖3 設備特寫

首先，逐漸加大切削深度，進行幾個區域的磨削，確定需要清除的最小材料量后，對增材制造的表面進行處理。之后按照規定的切削深度進行磨削，然后檢查表面是否存在明顯缺陷。圖4所示為實驗期間部件清理后的樣品圖片。根據實驗結果，為了消除增材制造過程中產生的所有幾何不一致性和表面缺陷，需要從組件中去除大約0.30～0.45mm的材料。

本次測試采用的磨削長度為50.8mm，砂輪直徑為462mm，工作速度為23m/s。總共對五個的材料去除率（MRR）進行了測試，范圍為0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通過更改進給速度（mm/min）或切割深度（mm）調整材料去除率。對多個材料去除率進行了測試，以評估中低材料去除率對表面光潔度和磨削能力的影響。盡管可以使用現代工程磨料以較高的去除率對鎳基合金（例如Inconel 718）進行磨削，但根據目前工業上用于精加工標準Inconel工件的標準精加工率，本研究選擇了較低的材料去除率（圖4）。以標準（非增材制造）工件磨削為例，預期結果是，隨著材料去除率的增加，磨削功率增加，磨削后的工件表面光潔度（Ra）將增加或表面會變得更粗糙。

圖4 部分磨削后的AM Inconel 718測試樣品

磨削前后，采用聯邦接觸輪廓儀系統5000測量工件的表面光潔度，測量點包括工件上的多個位置和兩個方向（圖5a和圖5b）。此外，還在多個位置進行了非接觸輪廓儀表面測量。

圖5(a)表面光潔度測量方向(平行于磨削方向)；圖5(b)表面光潔度測量方向(垂直于磨削方向)

磨削前，對增材制造材料的表面光潔度進行評估后發現，在不同測量方向上，光潔度存在很大差異。縱向測量時，平均光潔度為3.3μRa；橫向測量時，平均光潔度為2.1μmRa。而在測量標準鑄態Inconel 718材料時，不會出現這種顯著差異。這種差異似乎與3D制造方法有關，但是目前尚不清楚確切原因。

采用接觸輪廓儀測量磨削后表面光潔度的常規方法是垂直于磨削線，而不是平行于磨削線。本次研究中，在平行于磨削線和垂直于磨削線兩個方向上測量了表面光潔度。然后將磨削后的測量結果與磨削前的縱向和橫向測量結果進行比較。

重點在于，沿著垂直于磨削線的方向進行測量磨削后的表面時，測針會越過磨削線的波峰和波谷。而在平行方向上進行測量時，測針平行于磨削線移動，永遠不會越過峰谷。因此，不出所料，本次研究中，垂直測量得出的（粗糙）表面光潔度明顯高于平行方向的測量結果。

磨削前后對增材制造材料的表面光潔度進行評估后發現，不同測量方向的光潔度存在顯著差異。本次研究中，采用平行于磨削線和垂直于磨削線兩個方向上進行表面光潔度測量，結果確實存在顯著差異。在平行方向上測量時，磨削前，平均表面光潔度為3.3μmRa，研磨后為0.21μma。在垂直方向上測量時，磨削前，平均表面光潔度為2.1μmRa，研磨后為0.5μmRa。

此外，還采用了Nanovea 3D表面輪廓儀和白光色差技術對增材樣品進行了分析，將表面特征以視覺化方式呈現出來。在本次測試中，收到增材制造樣品后，采用玻璃介質對其進行介質噴砂處理，除去表面凸起的部分。磨削后在表面上可以看到的線條是磨削操作留下的線條。可以使用較細磨料粒度的砂輪或其他打磨產品，例如工程類磨帶，進一步減少表面線條，形成超級精細的表面，前提是這點對于組件的性能和質量而言至關重要。

為了進一步了解磨削對AM IN718樣品整體表面完整性的影響，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射設備，在收到和磨削樣品后，進行了表面殘余應力測量。對兩種狀態下同一樣品6個不同位置的測量結果進行比較后發現，在兩種條件下近表面殘余應力均為負值/存在壓縮力。這種情況主要發生在精磨削后的組件上，其近表面殘余應力具有壓縮性，可延緩表面裂紋擴散，提高疲勞壽命。

本次研究期間，按照5個材料去除率對磨削功率進行了測量。隨著材料去除率的增加，磨削功率也隨之增加。這種行為存在于大多數磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率時，磨削期間的峰值功率為1.4 kW。而在3.9 mm3/sec./mm的最高材料去除率下，磨削功率為10.8 kW。

本次研究的結果證明，對增材制造的鎳基合金（比如Inconel 718）進行精磨削可以將表面的粗糙度降低近94％（平行于磨削線）或34％（垂直于磨削線）。可以根據要求，使用磨料粒度更精細的砂輪或其他打磨產品，比如工程類磨帶獲得超精細表面。此外，結果還表明，為了提高表面精細度，需從組件上去除0.30～0.45 mm的材料，并清除掉所有與3D制造過程相關的幾何不一致性。對于增材制造商而言，最低去除率是關鍵信息，因為他們一直在努力以最具成本效益的方法讓增材制造組件盡可能達到近凈形狀。此外，殘余應力數據顯示，磨削后的表面應力具有壓縮性，可以延緩表面裂紋擴大，從而延長所制造的組件的疲勞壽命。

本文作者：K·Philip博士， John Hagan