铜基石墨自润滑件的三维骨架设计与制备工艺参数研究

材料制备设备：振动筛和不锈钢干磨球磨机

（二）3D打印材料

石墨3D打印粉料由细鳞片石墨和热固性酚醛树脂粉末组成，按表1制作配方。

根据配方要求，使用振动筛筛选石墨粉末，按比例称取热固性酚醛树脂粉末，一起投入不锈钢干磨球磨机中，并按1∶3的球料比放入适量钢球，以45r/min的转速混合5小时（分阶段），获得混合均匀的石墨/酚醛树脂混合粉末原料将物料置于湿度低于40RH%的干燥环境（防止受潮）中备用。

三、三维石墨骨架选择性激光烧结成形工艺

在选择性激光烧结成型过程中，粉末所吸收的能量大小可用激光能量密度来描述，研究表明激光能量密度与激光功率P成正比，而与扫描间距L、扫描速度V成反比[3]，激光的能量密度E恰好能表达各个工艺参数之间的关系：E=fP/（LV）

上式中：E表示激光能量密度的大小，P为激光功率，V为扫描速度，L为扫描间距，f为修正系数，由具体的实验环境决定。可见，激光功率P、扫描速度V、扫描间距L是影响成型质量的主要可控的工艺参数。

由于石墨/酚醛树脂混合粉末导热性好，该混合粉末所吸收的能量除一部分散失到上方空气中外，大部分激光能量以热量形式通过传导方式传向周围松散粉末，使这些粉末温度升高，当其温度达到粉末结块温度时，便会在烧结件表面粘接一层非理想烧结层，从而形成次级烧结区，致使X、Y方向尺寸偏大;激光功率越大，能量密度越大，形成的次级烧结区越大，尺寸偏差也越大[4]。

为了能精确控制自润滑件中石墨的含量，必须要计算圆柱的设计尺寸与打印尺寸的比值。为此，实验中用0.1mm的分层厚度，采用正交试验研究了扫描间距L、激光功率P、扫描速度V对烧结件坯体尺寸精度的影响规律，各参数取值如表2所示。

每组试样一次性烧结3个，采用游标卡尺（精度为0.02mm）在同一高度测量烧结件坯体的直径，取平均值并统计，用实测直径减去基本尺寸求得尺寸偏差，再用尺寸偏差除以基本尺寸获得尺寸相对误差值。正交试验表及直径测量结果如表3所示（见附表）。

四、正交实验结果的分析与讨论

根据正交实验结果，当激光能量密度小于等于0.067J/mm2时，无法获取结构完整试样（如图4所示）;而当激光能量密度大于0.167J/mm2时，试样在X轴方向出现粘接或者“扰动”（如图5所示）。只有当激光能量密度在0.075～0.150J/mm2范围内变化时，才能获得结构完整的试样，且随着激光能量密度的增加，试样的相对误差值也随之增大。这是因为在石墨/酚醛树脂混合粉末选择性激光烧结成型过程中，当激光能量密度偏低时，混合粉末所吸收的能量少，不足以使其中的酚醛树脂粉末固化，导致层间连接强度不够而无法获取石墨成型件。随着激光能量密度不断增大，大部分酚醛树脂粉末吸收足够的能量得以固化，增加了层间连接强度，改善了成型工艺性。如果激光能量密度过大，石墨和酚醛树脂粉末会部分烧失。

采用极差分析法对同一因素的几个实验值相加，得到该因素的K1、K2、K3值，求得K1、K2、K3中最大值与最小值之差为该因素的极差R，R值越大，说明该因素在实验过程中的影响越大。

结合表4可知，影响试样直径相对误差的主次因素为：激光功率>扫描间距>扫描速度。为保证试样直径相对误差最小，应选取A1B3C3工艺参数组合，即激光功率为15W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.2mm，即表3中的第九组参数。利用第九组参数打印出来的试样图片如图6所示。

由图6可知，利用第九组参数打印试件时，中间试件出现了比较明显的次级烧结。也就是说由表4确定的工艺参数并不是最佳的，之所以会出现这种比较矛盾的结果，是因为在制作表4时，由于部分试样取样失败以致部分数据缺失所致。例如扫描间距为0.1mm的相对误差数据有9组，而扫描间距为0.2mm的相对误差数据只有5组，扫描间距为0.15mm的相对误差数据有6组;激光功率和扫描速度的计数数据也是如此。

虽然由表4确定的工艺参数不是最佳的，但可以用来作参考。通过观察表3可知，1、4、9組试样的打印尺寸相同，均为5.7mm。通过对比三组试样的图片，如图7所示，根据图片可知，相比第四组和第九组，利用第一组参数打印的试样出现了比较明显的Z轴盈余;相比第一组和第四组，利用第九组参数打印的试样出现了比较明显的次级烧结区域，因此第四组参数比较合理。

综上所述，选择第四组参数进行骨架的烧结制备。利用第4组参数打印的试样图片如图8所示。将第4组参数作为本实验3D打印的工艺参数，如表5所示。

经测量，打印出来的试样的直径在椎5.9mm～椎6.1mm之间取值，平均值为椎6mm。

五、结论

根据摩擦磨损理论，结合固体润滑剂嵌入轴承的方式，设计了交错分布的石墨骨架结构，通过合理分配3D打印材料中酚醛树脂含量40wt%、酚醛树脂粒径75μm，通过正交试验确定分层厚度0.1mm、扫描速度1500mm/min、扫描间距0.1mm、激光功率20W的工艺参数，成功制备了铜基石墨的三维石墨骨架。

参考文献：

[1]李同生.镶嵌固体润滑剂轴承的研究与应用[J].固体润滑，1989（2）：69-77.

[2]肖跃加，马黎，陈国清.镶嵌型固体自润滑轴承及其设计[J].锻压机械，1995（2）：22-25.

[3]吴海华，鄢俊能，李腾飞，等.石墨/酚醛树脂混合粉末选择性激光烧结成型精度实验研究[J].激光与光电子学进展，2017，54（8）.

编辑 冯永霞