《Journal of Manufacturing Processes》：A novel fluid-driven vibration finishing method for internal surfaces of additively manufactured channels
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针对增材制造（AM）复杂内部通道表面质量差的问题，提出流体驱动振动抛光（FDVF）方法。通过高压流体在球与通道狭窄间隙产生的压力波动驱动球体高频振动（>4kHz），结合计算流体动力学（CFD）模拟与高速成像验证，证实该方法可有效降低Φ3.6mm不锈钢管表面粗糙度至<0.1μm，处理效率达98%（60分钟），并成功应用于U型通道的均匀抛光。
李启凯|穆罕默德·拉基布尔·哈桑|袁安康|王若颖|倪超|秦普|朱旭|卢明阳|罗青|赵丹雷|马广义
中国大连理工大学机械工程系，高性能精密制造国家重点实验室
摘要
为了解决增材制造（AM）技术制造的复杂内部通道表面质量差的关键问题，本文提出了一种新型的流体驱动振动抛光（FDVF）方法。当流体遇到流面积突然减小时，由于流速增加，静压会急剧下降。这种压力变化被用来驱动通道内的阻挡球进行周期性振动。通过利用球对内表面的冲击并控制球的位置，可以实现AM制造通道的均匀抛光。通过计算流体动力学模拟和高速成像的结合，研究了球振动和表面抛光过程的机制。结果表明，球产生了超过4 kHz的高频振动，并伴随着周期性的水动力空化现象，有效地将壁面的材料变形深度超过了25 μm。一根内径为3.6 mm的SLM不锈钢管，初始平均粗糙度为6.798 μm，在3.5 MPa的压力下经过处理后，其表面粗糙度降低了98%，轴向粗糙度变化在±0.041 μm范围内。此外，通过处理一根内径相同的U形管，验证了该方法对复杂通道的可控性和可行性，直管部分的表面粗糙度低于0.1 μm。
引言
增材制造（AM）技术的迅速发展使得复杂结构部件的近净成形成为可能[1]。其中，选择性激光熔化（SLM）以其高精度而脱颖而出，已被用于加工各种材料，包括不锈钢、超合金和钛合金[2]。SLM制造的关键部件在航空航天、汽车和核工程应用中非常常见，例如燃料喷嘴和冷却叶片，这些部件通常具有复杂的内部流道[3]、[4]。然而，SLM制造的零件表面容易出现质量差的问题，存在各种表面和亚表面缺陷，包括球化效应、阶梯效应、粉末粘附和气体孔隙[5]、[6]。这些缺陷严重影响了零件的性能和抗疲劳能力，因此需要有效的后处理。
虽然AM技术为复杂几何形状提供了前所未有的设计自由度，但同时也带来了重大的后处理挑战。现有的表面抛光技术，如激光抛光，由于工具可访问性的限制，对于内部通道的抛光效果不佳[7]、[8]。到目前为止，针对AM制造部件的内部表面抛光问题的研究仍然有限。
基于磨料流的抛光方法是内部表面抛光的一种有前景的解决方案[9]、[10]。这些方法包括使用高粘度介质的传统磨料流加工（AFM）和采用低粘度液体的软磨料流抛光。Furumoto等人证明，自由磨料流抛光可以有效降低注塑模具冷却通道的表面粗糙度[11]。通过将磨料颗粒加速到高速度，颗粒与通道壁的碰撞将表面粗糙度从>100 μm降低到10 μm。Nagalingam等人提出了一种新的水动力空化磨料抛光技术，并在增材制造的AlSi10Mg内部通道上验证了该方法的可行性[12]、[13]。空化和磨料碰撞的协同作用使表面粗糙度提高了90%。Gu等人引入了一种多相喷射（MPJ）抛光系统，将凹槽内部表面粗糙度从8.596 μm降低到0.701 μm[14]。
基于磨料流的抛光方法可以接触到复杂结构的内部区域进行材料去除。然而，由于流动特性，在复杂结构通道中改变流动方向时会产生显著的压力损失，沿通道的线性压力损失也是不可避免的。这些累积的压力损失会导致表面抛光不均匀，从而无法有效控制抛光均匀性。Guo等人提出了一种磁辅助化学磨料流抛光方法，能够调节亚毫米级针内的压力，但其对弯曲管道的可行性尚未得到验证[15]。
电化学抛光也被用于内部表面抛光，因为它具有高效、无工具磨损和机械力的优点[5]。An等人提出了一种电化学-机械复合抛光（EMCP）方法，用于增材制造的内部通道[16]。这种方法将表面粗糙度从15.92 μm降低到5.06 μm（Φ5 mm直通道）和从18.18 μm降低到6.02 μm（Φ9 mm弯曲通道）。Pyka等人将化学蚀刻与电化学抛光结合使用，去除了SLM制造的Ti6Al4V晶格结构上的附着粉末，显著降低了表面粗糙度[17]。然而，当电解质流经复杂的内部通道时，电化学抛光的可控性较差，经常导致过度腐蚀和几何精度下降。此外，在复杂通道内放置电极也是一项重大的技术挑战[18]。
磁磨料抛光（MAF）也可以提高AM制造零件的内部表面质量[19]、[20]。Guo等人使用MAF对双层SLM制造的管道进行了抛光，使内表面粗糙度从7 μm降低到<1 μm[21]。尽管MAF方法仅适用于具有薄壁的旋转对称零件，因为在复杂通道中磁极与抛光表面之间的距离增加时，磁力衰减会变得严重[22]。
增材制造的部件通常具有初始表面粗糙度高于6 μm的情况，悬垂表面的粗糙度往往超过20 μm。要达到亚微米级的粗糙度，需要大量的材料去除和较长的处理时间。这种初始粗糙度水平远远超出了传统抛光技术的要求。因此，通常优先选择诸如抛光或喷丸等机械处理方法来快速降低粗糙度[23]。Ariadna等人使用球抛光技术对AM制造的零件进行了处理，将表面粗糙度从19.50 μm降低到3.19 μm，同时显著提高了零件的抗疲劳性能[24]。类似地，I?igo等人利用超声振动辅助球抛光技术处理了18%镍马氏体钢，处理后的平均表面粗糙度在1.31 μm到0.14 μm之间[25]。然而，机械抛光方法不适用于非直管形状的几何结构。即使对于具有大曲率半径的简单弯曲部分，其应用也受到限制。
因此，本文提出了一种新型的流体驱动振动抛光（FDVF）方法，利用液体的灵活性和机械冲击的高效率。该方法利用高压流来驱动球与壁面的冲击，不仅能够有效抛光直管，还能处理复杂通道。研究首先介绍了这种方法的基本原理，以及增材制造的流道设计和实验装置。通过计算流体动力学（CFD）模拟和高速成像的结合，研究了高压流体引起的阻挡球振动的激发机制。验证了直管单点处的工具影响函数（TIF），并揭示了高频冲击下的表面抛光机制。最后，在直管和U形管上进行了实验验证，最终证明了该方法在抛光AM制造复杂通道直管部分的灵活性和有效性。
方法原理
图1(a)展示了流体驱动振动抛光方法的示意图。活塞缸的往复运动产生高压液体，将低粘度介质（水）有效地输送到连接到通道工件的管道中。一个直径略小于通道内径的阻挡球被放置在通道内，以形成狭窄的流动间隙。通过绳索固定，球在
实验装置
FDVF方法的实验平台由三个单元组成，如图2所示。动力单元包括一个气动泵（KOMAX Air Compressor 140 L，最大压力0.8 MPa）、一个气缸（AIRTAC ACQ 100 × 125-SB）和一个浆料缸（CRLNG不锈钢活塞杆缸 – 40，最大压力20 MPa）。气动泵产生的高压气体驱动气缸，气缸的运动通过连杆机构机械放大，连接到一个小直径的浆料
管道中的流动条件
如图4(a)所示，3.3毫米的阻挡球位于内径为3.6毫米的管道下侧，形成了0.3毫米的间隙。当流体通过球时，流面积的突然减小（从10.18平方毫米减小到1.63平方毫米）在管道壁附近引发了高速射流，如图4(b)所示。通过测量球附近（沿轴向长度20毫米）的压力和速度变化，如图4(c)所示，
直管和U形管的FDVF抛光
为了验证所提出方法的抛光效率和均匀性，对一根内径为3.6毫米、长度为90毫米的不锈钢管进行了抛光处理。首先以2毫米/分钟的速度进行加工，然后通过将球的移动速度降低到1毫米/分钟来增加停留时间。在抛光了80毫米长的管道区域并留下10毫米长的对比区域后，得到的表面形态如图12(a)所示。
明显的边界
结论
为了解决增材制造复杂部件内部通道表面质量差的关键问题，本文提出了一种新型的无磨料抛光方法。通过使用绳索将阻挡球放置在通道内，高压流体流通过狭窄的间隙产生的压力变化可以驱动球进行高频各向同性的周期性振动。然后可以对工件的内表面进行
作者贡献声明
李启凯：可视化、验证、软件、方法论、研究、概念化。穆罕默德·拉基布尔·哈桑：撰写——原始草稿、软件、研究、数据管理。袁安康：验证、软件、正式分析、数据管理。王若颖：可视化、验证、软件、研究。倪超：撰写——审稿与编辑、研究、正式分析。秦普：软件、研究、正式分析、数据管理。朱旭：验证、软件、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢香港理工大学的张志立博士在计算流体动力学模拟方面的专业指导，并感谢大连理工大学能源与动力工程学院的贾明教授提供的高速成像设备。
