SLM增材制造微流道内孔磨粒流抛光工艺研究

来源 :长春理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wahyle
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工业级高通量微流道换热器具有体积小、重量轻、结构紧凑、热交换效率高等优势,广泛应用于诸如海上石油平台、氢燃料电池、核电、船舶、大型云计算等领域所需的高效热交换环节,具有广阔的市场前景。激光选区熔化(SLM)增材制造技术的出现为微流道换热器件的制造提供了一种崭新的工艺方法。但是增材制造微流道内孔表面较为粗糙,影响了液体流动及热交换,因此内孔壁需后续精加工处理。由于热交换微流道内孔直径小且走向复杂多变,常规机械加工或喷砂工艺无法实现内孔精加工。针对这一问题,本文采用磨粒流抛光技术,系统的研究了磨粒流抛光工艺对增材制造微流道内孔尺寸精度与表面粗糙度的影响。并通过有限元分析,探讨了磨粒流抛光的机理。首先,结合SLM增材制造成形工艺对微流道内孔表面形貌形成机理进行了研究。在增材制造过程中,根据其自身实体能否作为下一层的支撑,可以将微流道内孔表面形貌的形成方式分为两种:一种是台阶效应,另一种是“挂渣”。将整个微流道划分为三个区域,并对Ⅰ区、Ⅱ区的表面粗糙度的理论数值进行分析;Ⅲ区内孔表面形貌的形成方式为“挂渣”,很难给出数学模型,所以只对其形成原因进行了研究分析。随后,本文采用试验的方法研究了在单向磨粒流抛光工艺中,抛光时间和抛光压力对SLM增材制造微流道内表面粗糙度和内孔形状精度的影响规律,以及在双向磨粒流抛光工艺中,抛光时间对SLM增材制造微流道内表面粗糙度和内孔形状精度的影响规律。研究表明:在单向磨粒流抛光工艺中,随着抛光时间和抛光压力的增大,微流道内表面粗糙度值呈现出逐渐下降的趋势,微流道内表面质量逐渐改善;微流道内孔的最小外接圆与最大内切圆的直径呈现上升趋势,且当抛光时间和抛光压力大于一定值时,微流道内孔的形状精度较差;可以得到,在其他试验条件一定时,磨粒流抛光的最优参数为:抛光时间为20 min、抛光压力为5 MPa,在此工艺条件下可以获得良好的表面质量以及形状精度。在双向磨粒流抛光工艺中,随着抛光时间的增加,微流道内表面粗糙度值逐渐减小,表面质量逐渐变好;微流道内孔的最小外接圆与最大内切圆的直径呈现上升趋势,但是微流道内孔的形状精度较高;同时,可以得到双向磨粒流抛光工艺的最优参数组合为:抛光压力为5 MPa,抛光时间为5 min,此工艺条件下,微流道内表面可以获得良好的表面质量以及形状精度。最后,本文采用ANSYS Fluent有限元分析软件,建立相关模型,对单向磨粒流和双向磨粒流抛光过程进行仿真,通过数值模拟的方式探讨单向磨粒流和双向磨粒流抛光的作用机理,解释了单向磨粒流抛光工艺中由压降和离心力造成的两种抛光不均匀现象,也说明了双向磨粒流抛光工艺中两种不均匀现象的改善和抛光效率提高的原因。为磨粒流抛光技术的进一步发展提供理论和技术依据。
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随着现代工业的飞速发展,超精密仪器及设备被广泛应用到各个领域,微孔的应用范围也越来越广,对微孔质量的要求也越来越高。针对超声波侧漏仪标定样件对微孔的使用需求,已经提出了印压加工的微孔成形方法,但现有印压加工技术存在加工硬化现象,在微孔边缘产生微裂纹,大大降低了标定样件的使用寿命,对此,本文提出一种基于激光原位辅助金刚石圆锥压头单向印压微孔的成形方法,激光穿过圆锥压头,照射到纯铜薄片上,对纯铜薄片进