FDM成型后ABS材料表面質(zhì)量車削實驗研究

楊亮，劉小銘

大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料共聚物)材料作為一種常用于熔融沉積成型(FDM)工藝的熱塑性材料，其力學(xué)性能穩(wěn)定、無毒以及加工性好，在眾多成型材料中被廣泛應(yīng)用在汽車以及電子電器等工程領(lǐng)域[1]。增減材制造是隨著第三次科技革命誕生的加工方式，這一加工方式既擁有增材制造可以加工更復(fù)雜零件并縮短制造周期的優(yōu)勢，也擁有減材制造加工精度高的優(yōu)點。

國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了一些研究，Rodrguez J.F.等[2]實驗研究了基于FDM成型后ABS零件的機(jī)械性能，得出材料強(qiáng)度受到孔隙率的影響，孔隙率使成型后零件的強(qiáng)度低于ABS單絲。Dawoud M.等[3]通過實驗發(fā)現(xiàn)，成型間隙為負(fù)時可提高成型后零件的機(jī)械強(qiáng)度，通過設(shè)定合適的成型參數(shù)可使成型后的零件強(qiáng)度接近注塑成型的零件強(qiáng)度。Domingo Espin M.等[4]和Zou R.等[5]研究發(fā)現(xiàn)，成型角度不同會對彈性模量造成影響，繼而提出打印后零件的彈性本構(gòu)為各向異性(橫向各向同性)的觀點，并計算了不同打印角度的ABS材料主軸和橫斷面的彈性模量及泊松比。馬東[6]對ABS材料等常見塑料的車削性能進(jìn)行了研究，得出了車削熱塑性材料時背吃刀量、車削速度、進(jìn)給量和刀具前后角的最佳組合。在眾多研究中，對于FDM打印后呈現(xiàn)各向異性的ABS材料的車削參數(shù)研究較少。張德遠(yuǎn)等[7]等對超聲輔助加工技術(shù)進(jìn)行了研究，得出超聲加工技術(shù)可降低切削力，提高表面質(zhì)量，提升加工效率。

綜上所述，目前對FDM成型后ABS材料的研究大多局限于FDM成型工藝和材料的機(jī)械強(qiáng)度，對于ABS材料的增減材混合加工研究較少，尤其對FDM成型后ABS材料超聲振動切削研究未見報道。本文主要對FDM成型后的ABS材料進(jìn)行超聲振動切削實驗，分析FDM成型后原始材料的表面質(zhì)量，制定實驗流程，并通過SEM掃描電鏡觀察車削后材料的表面形貌特征。

2 FDM成型后ABS材料表面質(zhì)量

影響FDM成型后ABS材料表面質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，主要有層厚引起的臺階效應(yīng)、噴嘴直徑和溫度、環(huán)境溫度、填充速度、擠出速度以及絲料寬度和性能等，這些因素都會造成成型時間或質(zhì)量的明顯偏差[8]。

在這些參數(shù)中，系統(tǒng)的分層厚度d和成型角度α對表面質(zhì)量的影響較大。因此，在原始的三維模型切片時會產(chǎn)生多個不連續(xù)的二維平面，在實際成型過程中易造成實體表面產(chǎn)生臺階現(xiàn)象，即階梯誤差。圖1為不同分層厚度產(chǎn)生的臺階效應(yīng)。

圖1 不同分層厚度產(chǎn)生的臺階效應(yīng)

使用BLUEMAKER藍(lán)模3D打印機(jī)，選取0.1mm，0.2mm和0.3mm三種分層厚度以及0°，30°，45°，60°和90°五種成型角度的樣件進(jìn)行表面質(zhì)量研究。表面粗糙度數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示(表面粗糙度檢測裝置為TR210型手持式粗糙度儀)，不同分層厚度及成型方向的成型樣件如圖3a所示，圖3b、圖3c和圖3d是在不同厚度條件下的局部放大圖，放大倍數(shù)為415倍。

由圖2可知，當(dāng)FDM成型后樣件的分層厚度為0.1mm時，表面粗糙度最低，其次是0.2mm，分層厚度為0.3mm時，表面粗糙度最高，樣件的表面粗糙度隨成型角度的增大而升高。整體來看，該工藝條件下樣件的表面粗糙度Ra最低為10.995μm，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)切削加工的表面粗糙度值。

圖2 FDM成型后ABS材料表面粗糙度曲線

由圖3可以看到，當(dāng)分層厚度從0.1mm上升到0.2mm時，料絲之間的間隙開始增大，樣件表面有明顯的凹凸?fàn)铍A梯。在相同放大倍數(shù)下，條狀纖維和間隙個數(shù)逐漸減小，纖維和層間間隙的尺寸逐漸增大，表面質(zhì)量逐漸降低，與成型理論中的臺階效應(yīng)一致。

圖3 不同分層厚度條件下的局部放大及成型樣件

3 超聲振動切削實驗系統(tǒng)

由上述分析可知，通過FDM成型后的ABS材料精度較低、表面質(zhì)量較差，難以滿足對精度要求高的場合。為了解決這一缺陷，采用增減材混合加工的方法對FDM成型后的ABS材料進(jìn)行超聲振動切削加工，以提高表面質(zhì)量。數(shù)控車床型號為CK0640D，主軸轉(zhuǎn)速為100～4000r/min，控制精度為1μm。采用SDJCR2020K11硬質(zhì)合金外圓車刀，車削時刀具前角為10°，后角為7°。圖4為搭建的振動切削實驗平臺。

圖4 超聲振動切削實驗平臺

4 材料表面粗糙度結(jié)果分析

為優(yōu)化實驗方案，采用多因素正交實驗方法對FDM成型后ABS材料的表面質(zhì)量進(jìn)行研究。具體參數(shù)如表1所示。正交實驗表及極差分析見表2和表3。

表1 超聲車削加工三要素

表2 超聲車削加工正交實驗

表3 極差分析

由表2可以看出，隨著背吃刀量的增大，已加工材料的表面粗糙度呈增大趨勢；車削時，背吃刀量的增大會使切削力提高；進(jìn)給量的總體變化趨勢與背吃刀量相似，加工后的表面粗糙度變化較為明顯；與背吃刀量和進(jìn)給量相比，車削速度變化相對較小。在超聲振動切削中，由于車削速度控制在超聲車削的臨界范圍內(nèi)，刀具與工件之間進(jìn)行了有規(guī)律的間歇性接觸—分離，這一加工特點有效降低了切削溫度，解決了普通車削時因轉(zhuǎn)速過高所造成的材料受熱軟化和涂抹現(xiàn)象。

由表3可計算實驗中每個因素的粗糙度值。將每個因素的最大值減去最小值，求得對應(yīng)因素的極差R，極差越大，所對應(yīng)的因素影響越重要。因此，由上述極差排序可知，各因素影響程度為進(jìn)給量f>背吃刀量ap>車削速度n。

5 材料表面微觀形貌研究

為進(jìn)一步從微觀上研究加工表面的特征，分別在普通車削和超聲振動切削條件下進(jìn)行對比分析(見圖5)。

圖5 ABS材料(SEM)微觀與宏觀形貌

圖5a和圖5b為FDM成型后原始表面形貌的微觀與宏觀形貌。可以清晰地看出打印時每條纖維層的鋪設(shè)堆疊，層與層之間最大有500μm左右的明顯間隙；由于間隙和階梯效應(yīng)的存在，造成表面質(zhì)量較差，也很好地解釋了表面粗糙度值較大的原因。

圖5c和圖5d是轉(zhuǎn)速300r/min，進(jìn)給量0.1mm/r，背吃刀量0.1mm時在普通車削條件下加工的表面微觀與宏觀形貌。由微觀形貌可清楚看出，表面較為緊湊，原始打印的缺陷幾乎消除，但每條刀痕均在材料表面清晰可見，表面偶爾產(chǎn)生由于粘刀等原因造成的脫粘撕裂和材料殘余，此時的表面粗糙度Ra為2.56μm。

圖5e和圖5f是采用超聲振動切削加工所得到的表面微觀與宏觀形貌，與圖5c和圖5d對比可以看出，兩種不同加工方式下的表面都會有一定程度的缺陷，如有無規(guī)則的刀痕或脫粘撕裂等。

從圖5e可以看出，相比于普通車削，超聲振動切削方式在表面留下的刀痕較淺，避免了出現(xiàn)較大的層間撕裂，也不會產(chǎn)生較高的切削溫度而使材料軟化和切屑的涂抹，材料的表面粗糙度Ra達(dá)到1.21μm。這是因為在超聲輔助車削的過程中，刀具與工件進(jìn)行了有規(guī)律地間歇性接觸和分離，降低了車削力，并充分減少了車削熱，使車削過程更加平穩(wěn)。

6 結(jié)語

(1)通過分析現(xiàn)有的FDM成型后ABS材料的特點，選擇分層厚度和成型角度兩個影響表面質(zhì)量較大的因素進(jìn)行了實驗研究。在該工藝下，加工出的材料表面質(zhì)量較差，此時的表面粗糙度Ra僅為10.995μm。

(2)采用增減材混合加工方式，通過超聲振動切削來提高ABS材料的表面質(zhì)量。由超聲振動切削實驗分析可知，材料整體的表面質(zhì)量優(yōu)于普通車削；在車削三要素中，影響程度依次為進(jìn)給量f>背吃刀量ap>車削速度n。

(3)在微觀表面形貌中，相比于普通車削，超聲振動切削加工后的表面刀痕變淺，大幅減少了層間撕裂和切屑的涂抹，有效避免了在FDM成型時原有間隙和階梯效應(yīng)的影響。