《快速成型技术Ⅰ》课程论文针对熔融挤出成型(FDM)技术的表面粗糙度分析讨论学院机械与汽车工程专业机械一学生姓名廖政泰指导教师杨永强王迪提交日期年月日表面粗糙度及影响因素表面粗糙度影响零件的耐磨性。

表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。

2）表面粗糙度影响配合性质的稳定性。

对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。

表面粗糙度表面粗糙度3）表面粗糙度影响零件的疲劳强度。

粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。

4）表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。

粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。

5）表面粗糙度影响零件的密封性。

粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。

表面粗糙度表面粗糙度6）表面粗糙度影响零件的接触刚度。

接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。

机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。

7）影响零件的测量精度。

零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。

此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。

选择性激光熔化技术的基本原理SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。

为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W/Cm2。

目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤(Fiber)激光器。

这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。

金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。

因此在成型金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但是采用较长波长的Co2激光器，其激光能量利用率低。

在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。

SLM 技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。

根据成型件三维CAD 模型的分层切片信息，扫描系统(振镜)控制激光束作用于待成型区域内的粉末。

一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞会下降一个层厚的距离;接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上。

然后，重复上述2个成型过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。

这样，三维CAD模型通过逐层累积方式直接成型金属零件。

最后，活塞上推，从成型装备中取出零件。

至此，SLM金属粉末直接成型金属零件的全部过程结束.在制造过程中，铺粉装置按设定的层厚将金属粉末均匀地铺设在基板上，激光在振镜控制下对需要熔化的区域进行扫描熔化；然后，基板下降一个层厚，重复下层的加工，如此往复，金属零件一层层地被加工出来。

SLM激光快速成型技术非常适用于复杂零件的快速制造，它可以极大地缩减产品开发周期，降低设计与制造成本，具有广阔的研究与应用前景［1～8］。

在这种逐层加工过程中，前一层水平面的表面质量直接影响到下一层的铺粉均匀性，如果前一层的表面粗糙度值很大，甚至存在球化现象，则可能导致下一层的铺粉过程无法完成，从而使得成型加工无法继续；另外，垂直面、倾斜面的表面粗糙度作为成型零件表面粗糙度的一部分，也是很重要的。

本文着重研究激光加工工艺参数对成型件各种表面表面粗糙度的影响。

与以往单纯的金属粉末选择性镭射熔化叠层造型技术相比，其特点在于可以一次性并且一体化地加工完成具有内部异型水路和排气功能，但表面形状复杂、难于实施后续加工的精密模具零件。

加工尺寸精度可达到±0.005mm，热处理后的材质硬度可达到Hrc50。

利用由此加工而成的模具零件，可极为有效地缩短模具冷却时间，排除模内困气，达到提高注塑成型效率、改善塑件品质的目的。

近年来把快速成型（RapidPrototyping，RP）技术应用到注塑模具制造领域的努力一直没有间断过。

尤其在欧洲，已经从把属于RP 技术之一的金属粉末的选择性镭射烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术或者选择性镭射熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术用于直接制造金属零件，发展到尝试着用于直接制造注塑模具的零件。

SLM技术的工艺过程原理与SLS技术基本相同，即都是使用镭射有选择地照射预先铺展好的金属粉末，并不断地重复铺粉与照射的过程，从而逐渐叠层造型，最后制成所需形状的金属零件。

两者的区别，在于所使用的金属粉末有所不同。

SLM 技术不需要脱脂、浸渗等后续工艺，可以一步达成金属的熔化结合。

最新研究表明，用SLM技术造型特定的几种材料，能够达到近乎100%的致密度。

造型材料包括316L 不锈钢、钛和钛合金、工具钢、钴铬合金、铜合金、铝合金等。

SLM 技术用于制造注塑模具零件的好处在于，其具有良好的加工柔性，可以借助于计算机辅助软件，在模具内部加工出任意形状的异型水路。

这样的异型水路将会有助于改善模具冷却状况，缩短注塑成型周期，提高塑件品质。

但是，SLM技术造型过程中的一些固有缺陷，比如，镭射扫描过程中熔池飞溅、球化和粘粉等因素导致造型零件的尺寸精度不够，表面粗糙度也较高。

这成为了限制该项技术广泛应用的一个重要因素。

虽然通过精加工或者电火花加工等后处理的方法可以大大提高表面质量，但针对一些内腔表面复杂，比如，具有微细深槽的精细零件，造型之后的处理或根本无法进行、或将可能导致造型零件损坏。

1.单熔道成型原理及实验图２为单道熔道成型截面示意图，在ＳＬＭ成型单道熔池过程中，通过基体将熔池分别上、下两部分。

在基体上方，由于粉末固体质点对液体质点的作用力小于液体质点之间的作用力，润湿角倾向为钝角，熔池的形状倾向为圆形。

Ｆｉｇ．２Ｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｍｅｌｔｉｎｇｔｒａｃｋ进行单熔道成型实验，通过调整工艺参量，获得连续、光滑的单道熔道，观察熔道的形状。

研究发现，熔道的形态与单位时间内能量输入ω（单位为Ｊ·ｃｍ－３）的大小最密切，ω可以通过下式获得：ω＝４P ／（πD２v）（１）式中，P 为激光功率，D 为光斑直径，v 为扫描速率。

在单熔道实验中，获得图３所示的两类连续光滑的单熔道。

（１）当ω＞２畅６×１０５Ｊ·ｃｍ－３时，特别是扫描速率很低而激光功率很高的情况下，获得第１种熔道形态，如图３ａ所示。

第１种熔道形态规则而连续，熔道宽度为１８０μｍ，但是在熔道附近存在大范围的无粉末区。

（２）当１畅３×１０５Ｊ·ｃｍ－３＜ω＜２畅６×１０５Ｊ·ｃｍ－３时，可获得第２种熔道形态，如图３ｂ所示。

第２种熔道形态仍然规则而连续，熔道宽度为１２０μｍ，熔道周围粉末仍在原来的位置。

Ｆｉｇ．３Ｔｗｏｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｉｎｇｌｅｍｅｌｔｉｎｇｔｒａｃｋｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｓ综合考虑，第２种熔道形态更有利于成型表面质量好的ＳＬＭ成型件。

观察第２种熔道横截面的形态可以发现，基体上方熔道的形状为圆形曲线，与单熔道成型原理分析结果相一致。

单道熔道的宽度在实际的成型过程中是重要的指标参照值，对零件的表面粗糙度有较大影响，同时也是进行ＳＬＭ成型件表面粗糙度理论研究的依据。

通过实验研究了不同功率密度下，扫描速率对熔道宽度的影响。

图４中总结了激光功率密度、扫描速率对熔道宽度的影响。

从图中可以看出，熔池宽度随着激光功率密度的下降、扫描速率的增加而减小。

Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｃａｎｎｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｍｅｌｔｐｏｏｌｗｉｄｔｈａｎｄｌａｓｅｒｐｏｗｅｒ（ｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓ：３５μｍ）通过实验研究，得出如下结论：（1）SLM水平面表面粗糙度主要与激光功率、扫描速度和搭接率有关。

当其它参数相同，搭接率为30%时，表面粗糙度值最小，随着搭接率增加，表面粗糙度值下降。

在搭接率<50%时，功率密度增加，表面粗糙度值减小；搭接率≥50%时，功率密度增加，表面粗糙度值增大。

（2）在切片层厚差别不大的情况下，切片层厚对零件垂直面的表面粗糙度影响不大。

（3）零件倾斜表面的倾斜角度越大，表面粗糙度值越小。

参考文献1 D. T. Pham，R. S. Gault. A comparison of rapid prototyping technologies.International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，1998( 38) :1257 －12872 P. A. Kobryn，E. H. Moore，S. L. Semiatin. The effect of laser powerand traverse speed on microstructure，porosity，and build height in laser－deposited Ti －6Al －4V. Script a mater，2000，43( 4) : 299 －3053 Li Peng，Ji Shengqin，Zeng Xiaoyan. Direct laser fabrication of nickelalloy samples. International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2005( 45) : 1288 －12944 F. Wang，J. Mei，H. Jiang，et al. Laser fabrication of Ti6Al4V/TiCcomposites usingsimultaneous powder and wire feed. Materials Scienceand Engineering A 445 －446 ( 2007) : 461 －4665 M CP Group. M CP R ealizerSLM －SLM Technology. 2005 －01 －25.http: / /www. m cp －group. com。