CN114939803A - 一种应用于3d打印不锈钢流道精密加工的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置及方法，加工装置包括机架、样品装夹模块、拉簧定位模块、加工模块、复合运动模块和辅助模块，样品装夹模块将待加工样品装夹定位，拉簧定位模块夹持加工模块一端，复合运动模块夹持加工模块另一端，带动加工模块高速运动，辅助模块按需供给加工液，加工模块将加工液带入接触区域，实现流道表面加工。加工过程分为机械研磨和化学机械抛光，抛光阶段的化学机械抛光液包含0.01～40wt％的胶体二氧化硅、0～10wt％的过氧化氢、水，pH值2‑11。针对3D打印不锈钢流道，本发明提出机械研磨和化学机械抛光两步加工方法，设计加工装置，研发化学机械抛光液，实现流道表面高质高效加工，加工后表面粗糙度达到纳米级。

Description

一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置及方法

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，具体涉及一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置及方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，机械零件日益复杂化、微型化和精密化，同时具有流道结构的零件越来越多。3D打印技术能够快速成型，广泛用于制造具有复杂流道结构的零件，如热交换器、燃油喷嘴、具有随形冷却流道的模具等。

根据参考文献(Annalisa Acquesta,Tullio Monetta,The Electropolishing ofAdditively Manufactured Parts in Titanium:State of the Art,AdvancedEngineering Materials,2021,23(12):2100545；段声勤,金属悬垂圆孔结构激光选区熔化成形工艺优化,硕士,南京理工大学,2018)，3D打印中的“波纹”、“台阶效应”、“球化效应”、“粉末黏附”等会导致零件的表面粗糙度高，使役性能可能无法满足苛刻需求。特别地，对于流道这类具备悬垂特征的零件，“台阶效应”和“粉末黏附”更加严重，并且表面存在粉末黏附层。根据参考文献(姚雪蕾,袁成清,付宜风,白秀琴,管道内壁粗糙度对沿程阻力影响的FLUENT数值模拟分析,船海工程,2015,44(06):101-106+110；杨阳,陈小虎,周雷,祝毅,杨华勇,庞松,增材制造成形液压流道沿程损失研究,液压与气动,2020,(07):127-131)，在混合摩擦区，流道的沿程阻力随表面粗糙度增加而增大。3D打印获得的流道的表面粗糙度较高，沿程阻力远大于传统加工获得的流道，能量损失大。为了降低3D打印流道的沿程阻力，必须针对性发展适用于流道的精密加工技术，降低流道的表面粗糙度。

目前，研究人员开发了一些精密加工方法，应用于流道表面加工，例如化学抛光、电化学抛光、磁力研磨和磨粒流抛光等。然而，在实际应用中，这些加工方法存在着如下所述的不足：

1)化学抛光和电化学抛光通过化学腐蚀作用溶解材料，实现材料去除。根据参考文献(Martin Bezuidenhout,Gerrit Ter Haar,Thorsten Becker,Sabrina Rudolph,Oliver Damm,Natasha Sacks,The effect of HF-HNO3 chemical polishing on thesurface roughness and fatigue life of laser powder bed fusion producedTi6Al4V,Materials Today Communications,2020,25:101396；王宣平,段合露,孙玉文,高航,增材制造金属零件抛光加工技术研究进展,表面技术,2020,49(04):1-10)，化学抛光的效率随着加工时间迅速下降，5分钟后，4mol/L HF溶液的抛光效果就下降至等同于2mol/LHF溶液，这表明化学抛光的稳定性较差，难以控制抛光效率；电化学抛光对样品的初始表面粗糙度具有一定要求，通常需要初始表面粗糙度低于1微米，然而，3D打印获得的表面粗糙度通常高于1微米，因此抛光效果有限。

2)磁力研磨通过运动磁极带动磁性磨粒在流道表面滑擦、翻滚和碰撞，实现材料去除。根据参考文献(赵鑫,3D打印钛合金内流道复合抛光方法及机理研究,硕士,西安理工大学,2021)，磁极的布置方式及分布部位会极大影响加工效率，对于具有复杂外部形状和内部流道的样品，难以布置磁极，且加工效率有限。

3)磨粒流抛光本质上仍是通过机械作用实现材料去除，根据参考文献(姚燕生,周瑞根,张成林,梅涛,吴敏,增材制造复杂金属构件表面抛光技术,航空学报,2022,43(04):244-256)，磨粒流抛光中，磨料介质会对工件表面施加MPa级的压力，可能会破坏刚度较低的薄壁流道，且抛光后表面粗糙度仍较高。

综上所述，现有的精密加工方法在加工效率和加工质量等方面存在一定的局限性，难以实现纳米级表面粗糙度。

发明内容

为了克服上述技术的不足，本发明提供了一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置及方法。目前，化学机械抛光广泛应用于超大规模集成电路制造中，其通过化学反应和机械力的协同作用，可以实现超光滑低损伤表面。然而，与传统的机械加工相比，化学机械抛光的效率较低。为此，本发明针对3D打印流道表面存在粉末黏附层的特点，提出将机械研磨和化学机械抛光协同配合，研发一种先机械研磨后化学机械抛光的精密加工工艺，针对流道狭长的特点，研发一种精密加工装置，针对不锈钢多元多相、抗腐蚀的特点，研发一种化学机械抛光液，最终，形成一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置及方法，提高流道表面质量，获得纳米级表面粗糙度，降低沿程阻力。

具体方案如下：

一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，包括：机架、样品装夹模块、拉簧定位模块、加工模块、复合运动模块和辅助模块，机架上分别设有样品装夹模块、拉簧定位模块、复合运动模块和辅助模块，样品装夹模块用于装夹待加工样品，拉簧定位模块用于夹持加工模块的一端，复合运动模块用于夹持加工模块的另一端，并驱动加工模块运动，拉簧定位模块和复合运动模块的夹持端均可以在水平和竖直方向上调节位置，保证加工模块与待加工样品的流道同轴，加工模块针对性提供研磨单元和抛光单元两类加工单元，实现流道表面精密加工，辅助模块用于按设定流量供给加工液。

进一步的，机架包括支架、平台和液池，支架用于安装平台，平台上设有多个安装孔，用于安装液池、拉簧定位模块、复合运动模块和辅助模块，液池上设有螺纹孔，用于安装样品装夹模块，并收集和排放加工废液，平台材料选用大理石、花岗岩、铸铁中的一种，以确保其刚度和作为安装基准的稳定性，平台平面度优于10微米，达到国家标准1级平面度要求，以确保其作为安装基准的准确性。

进一步的，样品装夹模块包括底座、装夹平台、夹具和定位柱，底座通过螺钉安装在机架的液池上，底座上设有两个平行的滑槽，装夹平台底部对应设有两个平行的凸台，凸台可以在滑槽内滑动，以调节装夹平台在底座上的安装位置，安装位置确定后，使用螺栓和螺母将装夹平台安装在底座上，装夹平台上设有螺纹孔阵列，用于安装夹具和定位柱，螺纹孔阵列使得夹具的位置可以根据待加工样品的尺寸进行调节，装夹平台、夹具和定位柱配合使用，以实现待加工样品的完全定位。

进一步的，拉簧定位模块包括第一调节支座、第二调节支座、轴承座、滚动轴承、夹头、拉簧连接座和拉簧，第一调节支座通过螺钉安装在机架的平台上，第一调节支座上设有两个平行的滑槽，第二调节支座底部对应设有两个平行的凸台，凸台可以在滑槽内滑动，以调节第二调节支座在水平方向上的位置，位置确定后，使用螺栓和螺母将第二调节支座安装在第一调节支座上，轴承座通过螺钉安装到第二调节支座上，第二调节支座上的滑槽使得轴承座可以在竖直方向上调节位置，滚动轴承通过其外圈与轴承座之间的过盈配合进行安装，夹头上设有圆轴，圆轴与滚动轴承内圈之间的过盈配合使得夹头可以稳定地旋转，拉簧连接座通过紧定螺钉安装在夹头内，拉簧两端设有弯钩，拉簧的一端通过弯钩与拉簧连接座连接，另一端与加工模块连接，调节轴承座位置，从而使拉簧的旋转中心与待加工样品的流道同轴，进而保证加工模块与待加工样品的流道同轴，此外，拉簧拉伸时产生的拉力将加工模块绷直，保证加工模块的高直线度，减小加工误差。

进一步的，加工模块具有良好的柔性，加工模块由柔性线材、加工单元和卡头三部分组成，加工单元为圆筒状，柔性线材从加工单元的中心孔穿过，多个加工单元按固定间距排布，通过粘结剂固定于柔性线材上，卡头安装于柔性线材一端，形成绳扣，与拉簧定位模块的拉簧连接，柔性线材的另一端与复合运动模块中的线夹头连接，从而带动加工单元进行往复旋转复合运动，在加工单元与加工液的共同作用下，对流道进行加工，柔性线材将加工单元柔性定位，使得流道表面受力更加均匀，减小加工误差，柔性线材的材料选用尼龙、芳纶、棉花、碳素钢中的一种。

进一步的，加工单元包括研磨单元和抛光单元，研磨单元在机械研磨时使用，抛光单元在化学机械抛光时使用，研磨单元的材料选用金刚石、氧化铝、碳化硅中的一种，抛光单元的材料选用聚氨酯、羊毛、牛皮、硅胶中的一种。

进一步的，复合运动模块包括多轴运动台、电机罩、电机、线夹头和数控系统，多轴运动台通过螺钉安装在机架的平台上，用于调节电机在水平和竖直方向上的位置，同时驱动加工模块沿流道轴向往复运动，电机罩通过螺钉安装到多轴运动台上，电机安装在电机罩内，避免加工液飞溅进入电机内部，造成短路，电机驱动加工模块旋转运动，线夹头的一端通过紧定螺钉安装到电机的轴上，另一端通过紧定螺钉连接加工模块，数控系统与多轴运动台和电机连接，通过数控程序精确控制多轴运动台和电机的运动，调节多轴运动台的位置，使电机轴与待加工样品的流道同轴，从而使加工模块与待加工样品的流道同轴，减小加工误差。

进一步的，辅助模块包括安装平台、蠕动泵、磁力搅拌器、加工液盛放桶和加工液输送管，安装平台通过螺钉安装在机架的平台上，蠕动泵和磁力搅拌器放置在安装平台上，加工液盛放桶放置在磁力搅拌器上，加工液输送管安装在安装平台上，一端放置于加工液盛放桶内，另一端位于加工模块上方，加工液输送管出液口的位置可以调节，以适应不同工况需求。

本发明还提供一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的方法，采用机械研磨和化学机械抛光协同配合的加工工艺，包括以下步骤：

S1、在机械研磨阶段，首先，将待加工样品装夹在样品装夹模块上，然后，将加工模块带有绳扣的一端连接到拉簧上，将加工模块穿过待加工样品的流道，将加工模块的另一端连接到线夹头上，接着，调节拉簧定位模块的轴承座以及复合运动模块的多轴运动台在水平和竖直方向上的位置，使加工模块与待加工样品的流道同轴；

S2、在加工液盛放桶中加入水；

S3、在数控系统上输入数控程序，程序中设置的参数包括电机转速和多轴运动台往复运动速度，在蠕动泵上设置加工液流量；

S4、打开磁力搅拌器和蠕动泵，启动数控程序，开始机械研磨；

S5、机械研磨结束后，取下待加工样品，观察粉末黏附层是否完全去除，如果没有，则重复进行S1～S5，直至达到要求；

S6、在化学机械抛光阶段，首先，将待加工样品装夹在样品装夹模块上，然后，将加工模块带有绳扣的一端连接到拉簧上，将加工模块穿过待加工样品的流道，将加工模块的另一端连接到线夹头上，接着，调节拉簧定位模块的轴承座和复合运动模块的多轴运动台在水平和竖直方向上的位置，使加工模块与待加工样品的流道同轴；

S7、配制化学机械抛光液，搅拌均匀，倒入加工液盛放桶中；

S8、在数控系统上输入数控程序，程序中设置的参数包括电机转速和多轴运动台往复运动速度，在蠕动泵上设置加工液流量；

S9、打开磁力搅拌器和蠕动泵，启动数控程序，开始化学机械抛光；

S10、化学机械抛光结束后，取下待加工样品，检测抛光后的流道表面质量，测量是否达到纳米级表面粗糙度，如果没有，则重复进行S6～S10，直至达到要求。

进一步的，化学机械抛光液包含0.01～40wt％的胶体二氧化硅、0～10wt％的过氧化氢、剩余为水，pH值2-11，其中，过氧化氢作为氧化剂，可以在待加工样品表面产生一层均匀一致的氧化膜，在胶体二氧化硅磨粒的机械作用下实现去除。

本发明的有益效果：

1、针对3D打印流道表面粗糙度高，表面存在粉末黏附层的特点，设计机械研磨和化学机械抛光协同配合的两步加工方法，机械研磨快速去除流道表面粉末黏附层，化学机械抛光进一步降低流道表面粗糙度，两者协同配合，共同实现流道表面高质高效加工。

2、针对3D打印流道狭长的特点，设计加工装置，通过拉簧定位模块和复合运动模块实现加工模块和待加工样品的流道高度同轴，实现流道表面均匀加工，且加工模块的主运动方向为流道的轴向，有助于降低沿程阻力。

3、针对不锈钢多元多相、抗腐蚀的特点，设计化学机械抛光液，添加一定浓度的过氧化氢作为氧化剂，在不锈钢表面生成一层均匀一致的氧化膜，在胶体二氧化硅磨粒的机械作用下实现去除，加工后流道表面粗糙度达到纳米级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置的整体结构示意图；

图2为本发明机架的结构示意图；

图3为本发明样品装夹模块的结构示意图；

图4为本发明拉簧定位模块的结构示意图；

图5为本发明机械研磨阶段使用的加工模块的结构示意图；

图6为本发明化学机械抛光阶段使用的加工模块的结构示意图；

图7为本发明复合运动模块的结构示意图；

图8为本发明辅助模块的结构示意图；

图9为本发明3D打印不锈钢流道加工前的三维形貌测量结果图；

图10为本发明3D打印不锈钢流道加工后的三维形貌测量结果图；

附图标记说明：1-机架；2-样品装夹模块；3-拉簧定位模块；4-加工模块；5-复合运动模块；6-辅助模块；101-支架；102-平台；103-液池；201-底座；202-装夹平台；203-夹具；204-定位柱；205-待加工样品；301-第一调节支座；302-第二调节支座；303-轴承座；304-滚动轴承；305-夹头；306-拉簧连接座；307-拉簧；401-柔性线材；402-加工单元；403-卡头；501-多轴运动台；502-电机罩；503-电机；504-线夹头；505-数控系统；601-安装平台；602-蠕动泵；603-磁力搅拌器；604-加工液盛放桶；605-加工液输送管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置

参照图1至图7，本实施例提供的加工装置包括机架1、样品装夹模块2、拉簧定位模块3、加工模块4、复合运动模块5和辅助模块6；机架1上分别设有样品装夹模块2、拉簧定位模块3、复合运动模块5和辅助模块6，机架1包括支架101、平台102和液池103，样品装夹模块2包括底座201、装夹平台202、夹具203和定位柱204，拉簧定位模块3包括第一调节支座301、第二调节支座302、轴承座303、滚动轴承304、夹头305、拉簧连接座306和拉簧307，加工模块4包括柔性线材401、加工单元402和卡头403，复合运动模块5包括多轴运动台501、电机罩502、电机503、线夹头504和数控系统505，辅助模块6包括安装平台601、蠕动泵602、磁力搅拌器603、加工液盛放桶604和加工液输送管605。

参照图1和图2，机架1的主要功能为承载其他功能模块，作为安装基准；支架101上有四块角铁，平台102安装于支架101上，并被四块角铁定位，平台102为大理石材质，保证其刚度和稳定性，平面度优于10微米，达到国家标准1级平面度要求，以确保其作为安装基准的准确性，平台102上设有一个矩形口和多个安装孔，液池103放置于矩形口中，并通过螺钉固定安装，拉簧定位模块3、复合运动模块5和辅助模块6也通过螺钉固定安装在平台102上，液池103上设有螺纹孔，用于安装样品装夹模块2，并收集加工废液，液池103底部设有排水口，用于排出加工废液。

参照图1和图3，样品装夹模块2的主要功能为装夹待加工样品205；底座201通过螺钉安装在液池103上，底座201上设有两个平行的滑槽，装夹平台202底部对应设有两个平行的凸台，凸台可以在滑槽内滑动，以调节装夹平台202在底座201上的安装位置，安装位置确定后，使用螺栓和螺母将装夹平台202安装在底座201上，装夹平台202上设有螺纹孔阵列，夹具203和定位柱204通过螺钉安装于装夹平台202上，螺纹孔阵列使得夹具203的位置可以根据待加工样品205的尺寸进行调节，装夹平台202、夹具203和定位柱204配合使用，以实现待加工样品205的完全定位。

参照图1和图4，拉簧定位模块3的主要功能为绷直柔性加工模块4，定位加工模块4一端，使加工模块4和待加工样品205的流道同轴；第一调节支座301通过螺钉安装在平台102上，第一调节支座301上设有两个平行的滑槽，第二调节支座302底部对应设有两个平行的凸台，凸台可以在滑槽内滑动，以调节第二调节支座302在水平方向上的位置，位置确定后，使用螺栓和螺母将第二调节支座302安装在第一调节支座301上，轴承座303通过螺钉安装到第二调节支座302上，第二调节支座302上的滑槽使得轴承座303可以在竖直方向上调节位置，滚动轴承304通过其外圈与轴承座303之间的过盈配合进行安装，夹头305上设有圆轴，圆轴与滚动轴承304内圈之间的过盈配合使得夹头305可以稳定地旋转，拉簧连接座306通过紧定螺钉安装在夹头305内，拉簧307两端设有弯钩，拉簧307的一端通过弯钩与拉簧连接座306连接，另一端与加工模块4连接，调节轴承座303位置，从而使拉簧307的旋转中心与待加工样品205的流道同轴，进而保证加工模块4与待加工样品205的流道同轴，此外，拉簧307的拉力将加工模块4绷直，保证加工模块4的高直线度，减小加工误差。

参照图1、图5和图6，加工模块4的主要功能为与待加工样品205的流道均匀接触并往复旋转运动，在加工液的共同作用下，对流道进行精密加工；加工单元402为圆筒状，柔性线材401从加工单元402的中心孔穿过，多个加工单元402按固定间距排布，并通过粘结剂固定于柔性线材401上，卡头403安装于柔性线材401一端，形成绳扣，与拉簧307连接，柔性线材401的另一端与线夹头504连接，从而带动加工单元402进行往复旋转复合运动，柔性线材401将加工单元402柔性定位，使得流道表面受力更加均匀，减小加工误差，综合考虑强度和柔韧性，柔性线材401材料选择芳纶；加工单元402包括研磨单元和抛光单元，研磨单元在机械研磨时使用，抛光单元在化学机械抛光时使用，综合考虑加工效率和加工质量，研磨单元材料选用碳化硅，抛光单元材料选用聚氨酯。

参照图1和图7，复合运动模块5的主要功能为驱动加工模块4产生往复旋转复合运动，同时定位加工模块4另一端，使加工模块4和待加工样品205的流道同轴；多轴运动台501通过螺钉安装在平台102上，用于调节电机503在水平和竖直方向上的位置，同时驱动加工模块4沿流道轴向往复运动，电机罩502通过螺钉安装到多轴运动台501上，电机503安装在电机罩502内，避免加工液飞溅进入电机503内部，造成短路，电机503驱动加工模块4旋转运动，线夹头504的一端通过紧定螺钉安装到电机503的轴上，另一端通过紧定螺钉连接加工模块4，数控系统505通过控制线与多轴运动台501和电机503连接，通过数控程序精确控制多轴运动台501和电机503的运动，调节多轴运动台501的位置，使电机503的轴与待加工样品205的流道同轴，从而使加工模块4与待加工样品205的流道同轴，减小加工误差。

参照图1和图8，辅助模块6的主要功能为储存、搅拌加工液，并按照设定的流量供给加工液；安装平台601通过螺钉安装在平台102上，蠕动泵602和磁力搅拌器603放置在安装平台601上，加工液盛放桶604放置在磁力搅拌器603上，加工液输送管605安装在安装平台601上，一端放置于加工液盛放桶604内，另一端位于加工模块4上方，加工液输送管605出液口的位置可以调节，以适应不同工况需求。

实施例二：应用于3D打印不锈钢流道精密加工的方法

参照图9，一种典型的狭长型3D打印不锈钢流道，材料为316L不锈钢，尺寸为长48毫米，直径3.6毫米，初始平均表面粗糙度S_a约为12微米(表面存在大量缺陷，测量时部分区域采用孔洞填充)。

参照图1至图8，采用实施例一中的应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置进行加工，加工方法包括以下步骤：

S1、在机械研磨阶段，考虑加工效率，研磨单元材料选用碳化硅，使用样品装夹模块2装夹待加工样品205，将加工模块4的绳扣端连接到拉簧307上，将加工模块4穿过待加工样品205的流道，将加工模块4的另一端装夹在线夹头504上，调节轴承座303以及多轴运动台501在水平和竖直方向上的位置，使加工模块4与待加工样品205的流道同轴；

S2、在加工液盛放桶604中加入水；

S3、设置加工工艺参数，其中，电机503转速设置为2000r/min，保证高加工效率的同时，防止加工液飞溅，多轴运动台501进给速度设置为3000mm/min，保证高加工效率和装置运行稳定，蠕动泵602供液速度设置为10mL/min，保证加工液供给充足；

S4、打开蠕动泵602、磁力搅拌器603，启动数控程序，开始机械研磨；

S5、机械研磨结束后，取下待加工样品205，检测研磨后的流道表面质量，观察粉末黏附层是否完全去除，如果没有，则重复进行S1～S5，直至达到要求；

S6、在化学机械抛光阶段，考虑加工质量，抛光单元材料选用聚氨酯，使用样品装夹模块2装夹待加工样品205，将加工模块4的绳扣端连接到拉簧307上，将加工模块4穿过待加工样品205的流道，将加工模块4的另一端装夹在线夹头504上，调节轴承座303以及多轴运动台501在水平和竖直方向上的位置，使加工模块4与待加工样品205的流道同轴；

S7、配置化学机械抛光液，鉴于3D打印流道材料为316L不锈钢，铬元素含量较高，加工液包括20wt％的胶体二氧化硅、0.015wt％的过氧化氢、剩余为水，pH值为4，搅拌均匀，将加工液倒入加工液盛放桶604中，其中，20wt％的胶体二氧化硅能够提供充足的机械作用，0.015wt％的过氧化氢能够在316L不锈钢表面生成一层均匀一致的铁铬氧化膜，实现铁铬元素同步均匀去除，同时保证较高的材料去除速率，pH值4能够兼顾材料去除速率和表面质量；

S8、设置加工工艺参数，其中，电机503转速设置为2000r/min，保证高加工效率的同时，防止加工液飞溅，多轴运动台501进给速度设置为3000mm/min，保证高加工效率和装置运行稳定，蠕动泵602供液速度设置为10mL/min，保证加工液供给充足；

S9、打开蠕动泵602、磁力搅拌器603，启动数控程序，开始化学机械抛光；

S10、化学机械抛光结束后，取下待加工样品205，检测抛光后的流道表面质量，测量是否达到纳米级表面粗糙度，如果没有，则重复进行S6～S10，直至达到要求。

加工完成后，3D打印不锈钢流道表面的三维形貌测量结果如图10所示，可以看出，加工后流道的表面粗糙度明显降低，平均表面粗糙度S_a从约12微米降低至约27纳米，实现了纳米级粗糙度流道表面精密加工。

综上，本发明针对3D打印流道表面粗糙度高，表面存在粉末黏附层的特点，设计机械研磨和化学机械抛光两步加工方法，两者协同配合，共同实现流道表面高质高效加工；针对3D打印流道狭长的特点，设计加工装置，实现流道表面均匀加工；针对不锈钢设计化学机械抛光液，实现铁铬元素同步均匀去除，加工后流道表面粗糙度达到纳米级。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述加工装置包括机架、样品装夹模块、拉簧定位模块、加工模块、复合运动模块和辅助模块，所述机架上设有所述样品装夹模块、所述拉簧定位模块、所述复合运动模块和所述辅助模块，所述样品装夹模块用于装夹待加工样品，所述拉簧定位模块用于夹持所述加工模块的一端，所述复合运动模块用于夹持所述加工模块的另一端，并驱动所述加工模块运动，所述拉簧定位模块和所述复合运动模块的夹持端均可以在水平和竖直方向上调节位置，保证所述加工模块与待加工样品的流道同轴，所述加工模块针对性提供研磨单元和抛光单元两类加工单元，实现流道表面精密加工，所述辅助模块按设定流量供给加工液。

2.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述机架包括支架、平台和液池，所述支架用于安装所述平台，所述平台用于安装所述液池、所述拉簧定位模块、所述复合运动模块和所述辅助模块，所述液池用于安装所述样品装夹模块，并收集和排放加工废液，所述平台的材料选用大理石、花岗岩、铸铁中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述样品装夹模块包括底座、装夹平台、夹具和定位柱，所述底座通过螺钉安装在所述机架的液池上，所述装夹平台安装在所述底座上，所述装夹平台上设有螺纹孔阵列，用于安装所述夹具和所述定位柱，所述装夹平台、所述夹具和所述定位柱配合使用，装夹待加工样品。

4.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述拉簧定位模块包括第一调节支座、第二调节支座、轴承座、滚动轴承、夹头、拉簧连接座和拉簧，所述第一调节支座通过螺钉安装在所述机架的平台上，所述第二调节支座通过螺栓和螺母安装在所述第一调节支座上，并且可以在水平方向上调节位置，所述轴承座通过螺钉安装到所述第二调节支座上，并且可以在竖直方向上调节位置，所述滚动轴承通过过盈配合安装在所述轴承座内，所述夹头通过过盈配合安装在所述滚动轴承内，所述拉簧连接座通过紧定螺钉安装在所述夹头内，所述拉簧两端设有弯钩，所述拉簧的一端通过弯钩与所述拉簧连接座连接，另一端与所述加工模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述加工模块具有良好的柔性，所述加工模块由柔性线材、加工单元和卡头三部分组成，所述加工单元为圆筒状，所述柔性线材从所述加工单元的中心孔穿过，两者粘结固定，所述卡头安装于所述柔性线材一端，形成绳扣，与所述拉簧定位模块中的拉簧连接，所述柔性线材的另一端与所述复合运动模块中的线夹头连接，所述柔性线材的材料选用尼龙、芳纶、棉花、碳素钢中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述加工单元包括研磨单元和抛光单元两类，不同加工阶段选用不同加工单元，与不同加工液配合使用，其中，在研磨阶段，选用所述研磨单元，与水配合使用，所述研磨单元的材料选用金刚石、氧化铝、碳化硅中的一种，在抛光阶段，选用所述抛光单元，与化学机械抛光液配合使用，所述抛光单元的材料选用聚氨酯、羊毛、牛皮、硅胶中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述复合运动模块包括多轴运动台、电机罩、电机、线夹头和数控系统，所述多轴运动台通过螺钉安装在所述机架的平台上，用于调节所述电机在水平和竖直方向上的位置，保证所述加工模块与待加工样品的流道同轴，更为重要的是，用于驱动所述加工模块沿流道轴向往复运动，所述电机罩通过螺钉安装到所述多轴运动台上，所述电机安装在所述电机罩内，所述电机用于驱动所述加工模块旋转运动，所述线夹头一端通过紧定螺钉安装到所述电机的轴上，另一端通过紧定螺钉连接所述加工模块，所述数控系统与所述多轴运动台和所述电机连接，控制所述多轴运动台和所述电机按设定程序运动。

8.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，其特征在于，所述辅助模块包括安装平台、蠕动泵、磁力搅拌器、加工液盛放桶和加工液输送管，所述安装平台通过螺钉安装在所述机架的平台上，所述蠕动泵和所述磁力搅拌器放置在所述安装平台上，所述加工液盛放桶放置在所述磁力搅拌器上，所述加工液输送管安装在所述安装平台上，一端放置于所述加工液盛放桶内，另一端位于所述加工模块上方。

9.一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的方法，其特征在于，基于上述权利要求1-8任意一项所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的装置，采用机械研磨和化学机械抛光协同配合的加工工艺，包括以下步骤：

S1、在机械研磨阶段，首先，将待加工样品装夹在所述样品装夹模块上，然后，将所述加工模块带有绳扣的一端连接到所述拉簧上，将所述加工模块穿过待加工样品的流道，将所述加工模块的另一端连接到所述线夹头上，接着，调节所述拉簧定位模块的轴承座和所述复合运动模块的多轴运动台在水平和竖直方向上的位置，使所述加工模块与待加工样品的流道同轴；

S2、在所述加工液盛放桶中加入水；

S3、在所述数控系统上输入数控程序，程序中设置的参数包括所述电机转速和所述多轴运动台往复运动速度，在蠕动泵上设置加工液流量；

S4、打开所述磁力搅拌器和所述蠕动泵，启动数控程序，开始机械研磨；

S5、机械研磨结束后，取下待加工样品，观察粉末黏附层是否完全去除，如果没有，则重复进行S1～S5，直至达到要求；

S6、在化学机械抛光阶段，首先，将待加工样品装夹在所述样品装夹模块上，然后，将所述加工模块带有绳扣的一端连接到所述拉簧上，将所述加工模块穿过待加工样品的流道，将所述加工模块的另一端连接到所述线夹头上，接着，调节所述拉簧定位模块的轴承座和所述复合运动模块的多轴运动台在水平和竖直方向上的位置，使所述加工模块与待加工样品的流道同轴；

S7、配制化学机械抛光液，搅拌均匀，倒入所述加工液盛放桶中；

S8、在所述数控系统上输入数控程序，程序中设置的参数包括所述电机转速和所述多轴运动台往复运动速度，在蠕动泵上设置加工液流量；

S9、打开所述磁力搅拌器和所述蠕动泵，启动数控程序，开始化学机械抛光；

S10、化学机械抛光结束后，取下待加工样品，检测抛光后的流道表面质量，测量是否达到纳米级表面粗糙度，如果没有，则重复进行S6～S10，直至达到要求。

10.根据权利要求9所述的一种应用于3D打印不锈钢流道精密加工的方法，其特征在于，所述化学机械抛光液包含0.01～40wt％的胶体二氧化硅、0～10wt％的过氧化氢、剩余为水，pH值2-11。

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