一種支持增材制造金屬表面大面積精密拋光的激光掃描儀-臺(tái)同步系統(tǒng)

供稿人：許學(xué)博、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

激光拋光由于其良好的適應(yīng)性、高精度和環(huán)境友好的自動(dòng)化程度，作為一種可以降低表面粗糙度和提高各種部件表面質(zhì)量的方法，已引起越來(lái)越多的關(guān)注。增材制造可以快速生產(chǎn)網(wǎng)狀或近網(wǎng)狀復(fù)雜部件和功能器件，但這種自由形式制造零件的粗糙表面平均粗糙度（Ra）為10–25\mu m，限制了其在表面質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用，因此需要額外的后拋光。

對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)有的激光設(shè)備，由于電流計(jì)掃描儀的行程相對(duì)有限，高精度大面積拋光具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的步進(jìn)掃描方法由于工作臺(tái)和掃描儀的重復(fù)啟動(dòng)-停止運(yùn)動(dòng)，縫合錯(cuò)誤不可避免，導(dǎo)致掃描區(qū)域邊界的表面質(zhì)量較差。此外，這種不連續(xù)性大大降低了大面積處理期間的效率。清華大學(xué)的研究人員提出了一種掃描臺(tái)同步系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)拼接誤差的大面積精密激光拋光。通過(guò)對(duì)選擇性激光熔化制造的Inconel 718零件進(jìn)行激光拋光來(lái)研究該同步控制系統(tǒng)對(duì)處理效率、工件表面質(zhì)量等的影響。

研究人員開發(fā)了如圖1所示的同步系統(tǒng)，結(jié)合檢流計(jì)掃描儀的運(yùn)動(dòng)和線性運(yùn)動(dòng)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積激光拋光。伺服控制系統(tǒng)生成的控制信號(hào)同時(shí)發(fā)送到運(yùn)動(dòng)臺(tái)和檢流計(jì)掃描儀，以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，從而避免縫合錯(cuò)誤，并最大限度地提高大面積激光加工的效率。

圖1: 掃描臺(tái)同步激光拋光系統(tǒng)示意圖。

通過(guò)步進(jìn)掃描法和掃描臺(tái)同步法在選擇性激光熔化制造的IN718工件的原始表面上進(jìn)行大面積激光拋光，如圖2所示。兩種方法的激光拋光有效地改善了表面光潔度并且拋光表面的平滑度相似，但步進(jìn)掃描方法會(huì)在縫合邊界處產(chǎn)生明顯的搭接誤差。

圖2:（a）采用不同的方法對(duì)通過(guò)選擇性激光熔化制造的IN718工件進(jìn)行激光拋光；（b）步進(jìn)掃描法的縫合區(qū)域；（c）采用階躍掃描法的激光拋光表面；（d）使用掃描臺(tái)同步方法進(jìn)行激光拋光表面。

圖3顯示了使用這兩種方法的激光拋光邊界的表面形貌。（a）、（c）表明當(dāng)使用階躍掃描方法時(shí)，原始表面和縫合邊界處的激光拋光區(qū)域之間出現(xiàn)微槽。同步制造方法利用了運(yùn)動(dòng)臺(tái)和掃描儀的優(yōu)點(diǎn)，獲得了均勻的激光能量，形成了均勻的激光拋光邊界，如圖3中的（b）、（d）所示。

圖2:（a）采用不同的方法對(duì)通過(guò)選擇性激光熔化制造的IN718工件進(jìn)行激光拋光；（b）步進(jìn)掃描法的縫合區(qū)域；（c）采用階躍掃描法的激光拋光表面；（d）使用掃描臺(tái)同步方法進(jìn)行激光拋光表面。

對(duì)于這兩種方法，表1總結(jié)了541.12 mm2拋光面積的平均表面粗糙度和拋光時(shí)間。與步進(jìn)掃描法相比，同步法激光拋光的表面粗糙度降低了28.07%。通過(guò)階躍掃描法和掃描臺(tái)同步法加工的總激光拋光時(shí)間分別為67.95秒和41.98秒，表明掃描臺(tái)同步系統(tǒng)的拋光效率提高了38.22%。效率的提高主要是由于工作臺(tái)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。更具體地說(shuō)，在這種連續(xù)大面積拋光過(guò)程中，由于掃描儀和工作臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)，大大減少了掃描儀和工作臺(tái)減速和加速所需的額外時(shí)間。

表1: 不同激光拋光方法的不同區(qū)域的表面粗糙度和拋光時(shí)間。

采用掃描級(jí)同步方法進(jìn)行激光拋光，同步控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)分解模塊和誤差合成模塊組成，由于激光加工過(guò)程中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以避免縫合誤差。此外，與現(xiàn)有的階躍掃描方法相比，該方法的處理效率提高了38.22%，并且由于材料相變期間激光能量分布更均勻，激光拋光區(qū)域的表面質(zhì)量顯著提高。所提出的同步系統(tǒng)為高速、高精度和大面積激光材料加工鋪平了道路。

參考文獻(xiàn)：

Mengjia Cui, Libin Lu, Zhen Zhang, Yingchun Guan, A Laser Scanner–Stage Synchronized System Supporting the Large-Area Precision Polishing of Additive-Manufactured Metallic Surfaces, Engineering, Volume 7, Issue 12, 2021, Pages 1732-1740, ISSN 2095-8099.