基于選擇性燒結(jié)技術(shù)的薄壁零件加工工藝研究

摘 要：概述了選擇性燒結(jié)技術(shù)對(duì)于薄壁零件加工的意義，說明了選擇性燒結(jié)技術(shù)的原理，以一種薄壁零件的加工過程詳細(xì)分析了薄壁零件的加工工藝，在總結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮具體零件類型和材料等不同，得到了薄壁零件加工的主要工藝參數(shù)的選取原則和參考思路，并且展望了以后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 選擇性燒結(jié)；薄壁零件；工藝參數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.010

1 課題研究的意義

選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱SLS）是發(fā)展最為迅速的一種增材制造技術(shù)，也是3D打印技術(shù)的典型代表，其根據(jù)3維模型的數(shù)據(jù)，采用高精度、高能量的激光束選擇性的把粉末材料分層燒結(jié)疊加直接成型可以直接運(yùn)用的復(fù)雜的三維實(shí)體零件，高效智能，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。薄壁零件因?yàn)楹牟纳俣鴻C(jī)械性能佳被廣泛運(yùn)用于各大行業(yè)，但是薄壁零件的薄壁在加工制造過程由于受力，受熱等因素影響容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致零件的精度降低，使用性能大打折扣。因此本文把選擇性燒結(jié)技術(shù)運(yùn)用到薄壁零件的制造與加工中，通過對(duì)加工工藝影響因素的分析來尋找提高加工效果，同時(shí)在快速成型設(shè)備華曙FS4001上進(jìn)行了薄壁零件加工工藝的正交實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證，以尼龍粉末為材料，分別組合實(shí)驗(yàn)了激光功率、掃描速度、燒結(jié)間距和單層層厚對(duì)成型薄壁零件效果的影響，最后在實(shí)驗(yàn)中獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)和工藝原則。因此本文的研究具有重要的意義。

2 選擇性激光燒結(jié)（SLS）原理

SLS成型裝置原理如下圖1所示，由供粉缸、工作缸、陣鏡系統(tǒng)、光路系統(tǒng)以及鋪粉裝置等組成。工作時(shí)供粉缸活塞上升，鋪粉輥將粉末按照設(shè)置的厚度均勻鋪上一層在工作缸活塞上，電腦根據(jù)三維數(shù)據(jù)模型的切片控制激光束的掃描軌跡，選擇性地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。完成一個(gè)層面后，工作活塞再下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)再鋪上一層設(shè)定好厚度的新粉，再按照切片軌跡掃描燒結(jié)新層，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型，最后待溫度冷卻后取出成型件，回收未燒結(jié)的粉末。整個(gè)過程均需要預(yù)熱，這樣可以減少成型中的熱應(yīng)力集中變形，并利于層與層之間的結(jié)合，對(duì)于不同的粉末材料，燒結(jié)的余熱溫度有所不同。

3 薄壁零件“多用途物品架”選擇性燒結(jié)加工工藝實(shí)例分析

“多用途物品架”選擇性燒結(jié)加工工藝過程分為前處理、分層燒結(jié)成型以及后處理過程三個(gè)階段。采用華曙FS4001設(shè)備，以尼龍粉末為材料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（1）前處理 。前處理階段為建立三維CAD模型，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，輸入到SLS設(shè)備電腦中。如圖2所示，薄壁零件在前期三維造型時(shí)需要加厚壁厚，設(shè)計(jì)成大于0.3mm的壁厚，最好達(dá)到2mm，三維軟件造型后輸出成STL文件格式，公差設(shè)置為三角公差0.02，相鄰公差0.0125，輸出類型為二進(jìn)制。

多用途物品架連接機(jī)構(gòu)的支撐均是薄壁件，擺放時(shí)盡量斜置擺放，如下圖3、圖4所示。同時(shí)由于較大面積接觸易發(fā)生防止發(fā)生翹曲現(xiàn)象，還需避免較大面積接觸底面。

對(duì)于尺寸比較大的薄壁零件，如果超過了SLS設(shè)備的燒結(jié)打印極限的話，則需要將零件進(jìn)行分塊分割燒結(jié)，然后再拼裝起來。這里需要設(shè)置的加工工藝為燕尾槽分割法，以保證產(chǎn)品的強(qiáng)度與使用要求，如下圖5所示。

（2）分層燒結(jié)成型燒結(jié)前的第一道工藝就是預(yù)熱，使系統(tǒng)環(huán)境溫度均勻，節(jié)省成型時(shí)間，保證加工精度，提高薄壁零件成型的性能和質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)所采用華曙FS4001設(shè)備，以尼龍粉末為燒結(jié)材料需要預(yù)熱到100攝氏度左右。根據(jù)三維造型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在設(shè)備電腦中設(shè)定不同的建造工藝參數(shù)以進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)比，如單層層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距，自動(dòng)燒結(jié)完畢后待成型零件緩慢冷卻至40℃以下是取出。通過不同參數(shù)的匹配，具體試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

首先是激光功率的影響：當(dāng)激光功率增加時(shí)，加工的尺寸誤差會(huì)向正方向增大，強(qiáng)度也隨著增大；反之亦然；并且激光功率過大會(huì)加劇因熔固收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形；其次是激光的掃描速度：當(dāng)掃描速度增加時(shí)，尺寸誤差向負(fù)誤差的方向減小，燒結(jié)制件強(qiáng)度降低；第三是燒結(jié)間距的影響：燒結(jié)間距增加，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減小，燒結(jié)制件強(qiáng)度減小，成型效率提高；最后是鋪粉的單層層厚：?jiǎn)螌訉雍裨黾?，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減小，燒結(jié)制件強(qiáng)度減小，成型效率提高。

當(dāng)以上參數(shù)選取不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致層與層之間的粘接、燒結(jié)體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂等狀況，如下圖6所示的燒結(jié)成型過程圖中的開裂現(xiàn)象；如圖7所示因溫度調(diào)整不當(dāng)造成薄壁較長件產(chǎn)品的翹曲變形現(xiàn)象。

（3）后處理工藝。零件燒結(jié)成型后處理工藝主要為靜置、強(qiáng)制固化、去粉、包覆等。通過這些后處理可以提高零件強(qiáng)度和使用壽命。

4 結(jié)論

本文通過運(yùn)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)來加工制造薄壁零件，分析了薄壁零件的加工工藝，然后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此種技術(shù)對(duì)于加工薄壁零件的優(yōu)勢(shì)，在總結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮具體零件類型和材料等不同，得到了薄壁零件加工的主要工藝參數(shù)的選取原則和參考思路，為以后優(yōu)質(zhì)高效加工精度和強(qiáng)度都好的薄壁零件提供了良好的借鑒作用，同時(shí)以后的最優(yōu)化工藝參數(shù)的匹配測(cè)試也是一個(gè)積極的努力方向。

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基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（編號(hào)：15C0977）

作者簡(jiǎn)介：李衛(wèi)（1982-），男，湖南資興人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。