激光增材制造不锈钢的力学性能和铣削性能研究

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1500W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1500W，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150m/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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．2 金属增材制造技术概述

1．1．3 金属增材制造技术的特点

1．2 增材制造金属合金微观组织、力学性能和减材加工性能的研究现状

1．2．1 增材制造金属合金的微观组织和力学性能

1．2．2 增材制造金属合金的减材加工性能

1．3 增材与减材复合制造技术的研究现状

1．3．1 增材与减材复合制造技术概述

1．3．2 增材与减材复合制造技术研究中存在的问题

1．4 本文的研究目的、意义和主要研究内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 主要研究内容

第2章 金属激光增材制造的热传导和温度场研究

2．1 金属激光增材制造的激光光斑热源导热微分方程

2．2 金属激光增材制造的温度场研究

2．2．1 瞬时点热源作用下的热传导和温度场

2．2．2 功率恒定的运动点热源连续作用下的热传导和温度场

2．3 金属激光增材制造的温度场的冷却速率分析

2．4 本章小结

第3章 激光增材制造不锈钢的微观组织和力学性能研究

3．1 实验方法和工艺参数选择

3．1．1 实验方法

3．1．2 工艺参数选择

3．2 激光增材制造工艺参数对不锈钢微观组织和力学性能的影响

3．2．1 成形方向的影响

3．2．2 激光扫描速度的影响

3．2．3 激光功率的影响

3．2．4 层厚的影响

3．3 激光增材制造工艺参数优化

3．4 激光增材制造不锈钢和锻造不锈钢的微观组织及力学性能对比

3．4．1 微观组织对比

3．4．2 力学性能对比

3．5 本章小结

第4章 激光增材制造不锈钢的铣削性能研究

4．1 实验方法和工艺参数选择

4．1．1 实验方法

4．1．2 工艺参数选择

4．2 激光增材制造工艺参数对不锈钢铣削性能的影响

4．2．1 成形方向的影响

4．2．2 激光扫描速度的影响

4．2．3 激光功率的影响

4．2．4 层厚的影响

4．3 激光增材制造不锈钢的铣削工艺参数优化

4．4 激光增材制造不锈钢和锻造不锈钢的铣削性能对比

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文和获得的奖励

致谢