激光增材制造不锈钢的力学性能和铣削性能研究

发布时间：2018-10-21 09:30

【摘要】：针对目前对增材制造的理论研究不够深入,对增材与减材复合制造的工艺研究不够系统等问题,本文主要研究了激光增材制造不锈钢的力学性能和铣削性能。研究了金属激光增材制造的热传导过程和温度场。实验研究了金属激光增材制造工艺参数对不锈钢微观组织、力学性能和铣削性能的影响,并对增材制造工艺参数和铣削工艺参数进行了优化。对比分析了金属激光增材制造不锈钢和锻造不锈钢的微观组织、力学性能和铣削性能。研究了金属激光增材制造的热传导过程和温度场。分别建立了金属激光增材制造过程中工件温度场分布模型和冷却速率模型。分析了温度场及其冷却速率与增材制造工艺参数之间的关系。结果表明,光斑周围温度场的温度随着激光功率的增大而升高,随着扫描速度的增大而降低;温度场的冷却速率随着激光功率和工件初始温度的升高而降低。研究了激光增材制造过程中成形方向对不锈钢工件微观组织、力学性能和铣削性能的影响。结果表明,当成形方向为0°时,在垂直沉积高度方向的水平截面上,不锈钢工件的微观组织比较均匀;当成形方向为90°时,在平行沉积高度方向的竖直截面上,不锈钢工件的微观组织呈现出大量的具有外延生长特征的柱状晶。与成形方向为90°时相比,成形方向为0°时不锈钢工件的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和硬度均较高。随着铣削速度的提高,铣削力增大,刀具磨损加剧,表面粗糙度减小;与成形方向为90°时相比,成形方向为0°时的铣削力较大,刀具磨损较严重,表面粗糙度较大。研究了激光增材制造过程中激光扫描速度对不锈钢工件微观组织、力学性能和铣削性能的影响。结果表明,随着激光扫描速度的增大,不锈钢工件的晶粒变小,抗拉强度和屈服强度降低,硬度升高,断后伸长率先增大后减小。激光扫描速度对刀具磨损的影响较显著。当扫描速度为300 mm/min时,随着铣削速度的提高,刀具磨损加剧。当扫描速度为500、700和900 mm/min时,随着铣削速度的提高,刀具磨损量先增大后降低,且刀具磨损随着扫描速度的增加而加剧。随着铣削速度的提高,铣削力增大,已加工表面粗糙度减小。研究了激光增材制造过程中激光功率对不锈钢工件微观组织、力学性能和铣削性能的影响。结果表明,随着激光功率的增大,不锈钢工件的晶粒变大,抗拉强度和屈服强度降低,硬度降低,断后伸长率先减小后增大。激光功率对刀具磨损的影响较显著。当激光功率为1500 W时,随着铣削速度的提高,刀具磨损加剧。当激光功率为2000、2500和3000 W时,随着铣削速度的提高,刀具磨损量先增大后降低,且刀具磨损随着激光功率的增大而加剧。随着铣削速度的提高,铣削力增大,已加工表面粗糙度减小。研究了激光增材制造过程中层厚对不锈钢工件微观组织、力学性能和铣削性能的影响。结果表明,随着层厚的增加,不锈钢工件的晶粒变小,硬度升高,拉伸性能的变化不明显。层厚对刀具磨损的影响较显著。当层厚为0.5和1.0 mm时,随着铣削速度的提高,刀具磨损量先增大后降低。当层厚为1.5和2.0 mm时,随着铣削速度的提高,刀具失效形式由磨损转变为破损,且破损程度加剧。随着铣削速度的提高,铣削力增大,已加工表面粗糙度减小。优化了激光增材制造不锈钢的增材制造工艺参数和铣削工艺参数。结果表明,当激光扫描速度为700 mm/min,激光功率为1500 W,层厚为1.0 mm,成形方向为0°,成形环境温度为+25℃时,不锈钢工件的力学性能较高;当铣削速度为150 m/min,每齿进给量为0.05 mm/z,铣削深度为0.1mm时,刀具磨损较小,表面粗糙度较小。对比分析了激光增材制造316不锈钢与锻后固溶态316不锈钢的微观组织、力学性能和铣削性能。结果表明,锻造316不锈钢工件的微观组织比较均匀,且晶粒粗大;而激光增材制造316不锈钢工件的微观组织具有各向异性,且晶粒细小。以优化后的增材制造工艺参数制造的316不锈钢工件的抗拉强度、屈服强度和硬度较高,断后伸长率较低。在150 m/min的铣削速度条件下,铣削增材制造不锈钢工件时的刀具磨损较小,已加工表面粗糙度较小,因此其铣削性能较好。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.71;TG665

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