金屬零件增量復(fù)合制造技術(shù)

華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張海鷗 向鵬洋 芮道滿

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王桂蘭

增量制造技術(shù)在成形復(fù)雜形狀高性能零件的制造方面獨(dú)具特色，被認(rèn)為有望引領(lǐng)第三次工業(yè)革命，目前正向著高功能、高性能材料復(fù)雜零件直接制造方向發(fā)展，對(duì)制造業(yè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。其中，金屬零件增量制造需求范圍最廣，也是其最重要的發(fā)展方向之一。該技術(shù)不僅可以完成難加工復(fù)雜形狀金屬零件的快速制造，還可以根據(jù)零件不同部位的工作條件和特殊的性能要求實(shí)現(xiàn)梯度功能材料零件的快速成形，因此在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[1-2]。

然而，現(xiàn)有的高能束金屬零件自由增量制造技術(shù)存在成形效率不高、成本高、成形精度及性能可靠性不足的瓶頸問題。要克服上述技術(shù)瓶頸，需要研究尋找既能保持增量制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又能吸收傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合制造新技術(shù)，為難加工的復(fù)雜形狀高組織性能零件以及功能梯度材料零件開辟新路徑。

本文為此闡述了業(yè)已出現(xiàn)的電弧-激光復(fù)合熱源制造、熔積-銑削復(fù)合制造、熔積-微軋復(fù)合制造技術(shù)的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀[3-6]。

電弧-激光復(fù)合直接制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

電弧-激光復(fù)合焊接技術(shù)[7]是一種將電弧與激光束集成于一體的新型焊接成形技術(shù)，能夠彌補(bǔ)單一熱源焊接的不足，具有焊接熔深大、工藝穩(wěn)定性好、焊接速度快、變形小、間隙橋接能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

在增量制造方面，華中科技大學(xué)張海鷗等[8]開展了等離子體激光復(fù)合直接成形的弧柱形態(tài)與成形特性的研究，分析了激光的平均功率、脈沖寬度、脈沖頻率、復(fù)合角度等對(duì)等離子弧形態(tài)與高溫合金成形特性的影響規(guī)律，得到了激光對(duì)等離子弧形態(tài)有重要影響且可提高直接成形精度的結(jié)果。

但是，該技術(shù)相關(guān)的激光-等離子電弧之間的相互作用機(jī)理、在線監(jiān)測(cè)、設(shè)備集成控制系統(tǒng)尚待更深入的研究。

熔積-銑削復(fù)合直接制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

激光束、電子束、等離子束增量制造技術(shù)，是基于離散/堆積原理，將原材料熔化后直接沉積在基體上，通過準(zhǔn)備好的CAD文件控制焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)不同形狀和尺寸零件的直接成形[1]。

然而，采用上述金屬零件直接快速制造技術(shù)，目前一般只能獲得近終成形零件，尚未達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)所需的尺寸和表面精度要求，大都需在成形結(jié)束后精加工。直接成形的金屬零件因急冷凝固后使表面硬度增大并有階梯效應(yīng)，導(dǎo)致加工困難；形狀復(fù)雜的零件有時(shí)需多次裝夾，致使加工時(shí)間長，甚至有時(shí)要占整個(gè)制造周期的 60% 以上，使直接制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)損失[1]。因此，需要開發(fā)可在成形過程中實(shí)現(xiàn)高尺寸精度和表面質(zhì)量要求的復(fù)雜形狀難加工零件的直接精確制造技術(shù)。

為此，研究者們提出：在成形過程中將熔積與銑削復(fù)合[4]，以解決熔積增量成形過程中存在的上述成形精度問題。

熔積-銑削工藝是將熔積增量制造與數(shù)控銑削去除工藝復(fù)合用于金屬零件的高精度直接成形方法。Song等將熔化極氣體保護(hù)焊和數(shù)控銑削工藝結(jié)合開發(fā)了三維熔積-銑削系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)制造了尺寸為90×175×10 mm (W×L×H)的注塑模具，整個(gè)制造過程耗時(shí)4h，其中熔積時(shí)間為1.5h，銑削時(shí)間為2.5h[9]。

張海鷗等提出了等離子熔積-銑削復(fù)合增材制造工藝，該工藝將等離子熔積與數(shù)控銑削復(fù)合，充分利用了等離子熔積設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本低，成形效率高的特點(diǎn)，同時(shí)，復(fù)合數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)零件或模具的高精度增材快速成形，采用該工藝進(jìn)行了中空花瓶、航空雙扭葉輪(如圖1所示)等復(fù)雜形狀零件的直接制造[10-11]。

圖1 采用熔積-銑削成形技術(shù)一次性成形的雙螺旋整體葉輪

Karunakaran等開發(fā)了基于熔化極氣體保護(hù)焊和數(shù)控銑削的復(fù)合分層制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三軸數(shù)控銑削實(shí)現(xiàn)了注塑模具的快速制造。利用該系統(tǒng)制造的某注塑模具相比傳統(tǒng)數(shù)控銑削加工，其制造時(shí)間減少了37.5%，制造成本降低了22.3%[12-13]。

熔積銑削復(fù)合工藝中通常熔積一層或數(shù)層，將熔積層上表面銑削平整，再進(jìn)行下一層的熔積，該工藝方法可有效解決熔積層高度和寬度方向的不平整問題，為下一個(gè)熔積層的堆積創(chuàng)造了良好的熔積條件，但熔積和銑削為分步串行的工序，熔積和銑削工位頻繁切換增加了制造成本和時(shí)間。

熔積-軋制復(fù)合直接制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

在自由熔積成形過程中，金屬零件要經(jīng)歷反復(fù)的快速加熱和冷卻過程，易導(dǎo)致成形零件的變形和開裂，降低制造精度，甚至使成形零件報(bào)廢。通過對(duì)自由熔積的工藝條件，如成形路徑，能量，成形速度和冷卻方法，對(duì)成形件的變形及開裂的影響研究得知，在合適的熔積條件下、自由熔積的成形能力可以得到改善。但是，在難成形、復(fù)雜形狀薄壁零件時(shí)，零件的變形與開裂等問題還沒有得到很好的解決。

鍛造、軋制之類的等量成形過程具有高的材料利用率，且成形件具有優(yōu)異的性能及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。連鑄軋制技術(shù)在鋼鐵行業(yè)是一項(xiàng)革命性的先進(jìn)制造技術(shù)。它改變了傳統(tǒng)鑄造和軋制過程的分離并實(shí)現(xiàn)他們的集成?；谏鲜隹紤]， 華中科技大學(xué)張海鷗等提出并且研究了熔融沉積-連續(xù)軋制復(fù)合直接制造金屬零件的方法[5]， 已獲國家發(fā)明專利[6]，并申請(qǐng)國際發(fā)明專利，是提高制造精度、效率、成形件組織性能的有效方法。該工藝(原理見圖2)是在半熔融區(qū)布置微型軋輥，對(duì)其作壓縮加工，以防止材料流淌、坍塌，減少成形件表面的階梯效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了自由熔積與連續(xù)軋制在一個(gè)制造單元的集成，并且實(shí)現(xiàn)兩者的同步，從而有效縮短了工藝流程，減少了后續(xù)加工余量，并可獲得組織和力學(xué)性能更好的零件；熔積過程中層高變?yōu)榭煽兀瑥亩蟠筇岣吡顺尚瘟慵?，為解決增量快速制造技術(shù)中理論成形高度與實(shí)際成形高度存在誤差這一問題提供了新的思路；此外，成形零件表面均勻光整，側(cè)壁階梯效應(yīng)有效降低，為成形零件滿足工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)以及零件的設(shè)計(jì)-材料制備-制造-檢測(cè)一體化的數(shù)字化直接制造開辟了新途徑。

圖2 電弧熔積-軋制復(fù)合成形示意圖

張海鷗等應(yīng)用以上技術(shù)，采用普碳鋼絲材直接成形了大型飛機(jī)蒙皮零件(圖3)，其高1.2m，長1.6m，上表面平整，側(cè)壁光滑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示該方法制造的金屬零件其拉伸強(qiáng)度提高了33%，延伸率提高了2倍以上[6]。

圖3 張等成形的大型飛機(jī)蒙皮零件

然而，該工藝雖然可以一次性成形性能組織良好的復(fù)雜零件，但因尚未達(dá)到機(jī)械加工的制造精度而不能直接獲得最終的金屬零件。所以要得到一次性成形最終可以工業(yè)應(yīng)用的金屬零件，還需要探索復(fù)合銑削的工藝，實(shí)現(xiàn)熔積-軋制-銑削一體化的低成本，短流程控形控質(zhì)的航空用高組織性能、高形狀復(fù)雜的金屬零件的制造。

繼上述研究之后，英國Cranfiled University的Coules等最近發(fā)表了與此類似的拼焊與軋制相復(fù)合的工藝及裝置的研究報(bào)道，設(shè)計(jì)了專用的熔積-軋制裝置，研究了軋制力、軋輥輥型等參數(shù)對(duì)板材拼焊時(shí)焊道殘余應(yīng)力的影響，該研究得到了波音、NASA等10余家著名公司聯(lián)合項(xiàng)目的資助。然而該軋制裝置結(jié)構(gòu)尺寸較大，且只能實(shí)現(xiàn)一維方向的運(yùn)動(dòng)，僅滿足直道拼焊需求，未能實(shí)現(xiàn)熔積與軋制的同步運(yùn)動(dòng)，難以用于金屬零件的增量成形[14]。

結(jié)束語

增量制造技術(shù)變革了傳統(tǒng)的機(jī)械加工減量成形和鍛造等量成形模式，為制造難加工復(fù)雜高性能零件提供了新的思路。現(xiàn)有高能三束(激光、電子束、等離子束)金屬零件自由增材制造技術(shù)存在成形效率不高、成本高、成形精度及性能可靠性不足的瓶頸問題。要克服上述技術(shù)瓶頸，既保持增量制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又吸收傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，需要研究探索新的復(fù)合制造新技術(shù)。本文為此闡述了電弧-激光復(fù)合熱源制造、熔積-銑削復(fù)合制造、熔積-微軋復(fù)合制造技術(shù)的特點(diǎn)、存在的問題以及今后的發(fā)展趨勢(shì)。

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