金屬材料的疊加制造技術(shù)及在模具制造中的應(yīng)用

謝祖華

摘要：金屬材料的制造和加工，是現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域的重要內(nèi)容，尤其是以金屬材料為材質(zhì)的工模具制作，成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)。本文以金屬材料的疊加制造技術(shù)以及在工模具制造中的應(yīng)用為研究?jī)?nèi)容，針對(duì)金屬材料的疊加工藝進(jìn)行多角度、多層次、多維度的分析和論述，結(jié)合筆者多年從事金屬材料制造技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，提出行之有效的應(yīng)用內(nèi)容和發(fā)展建議，僅供參考。

Abstract： The manufacturing and processing of metal materials is an important content in the field of modern industrial manufacturing， especially the manufacturing of tools and moulds made of metal materials， which has become the core foundation of modern industry. In this paper， the superposition manufacturing technology of metal materials and its application in die manufacturing are studied. The Superposition Technology of metal materials is analyzed and discussed from multiple angles， levels and dimensions. Combined with the author's experience in metal material manufacturing technology for many years， the effective application content and development suggestions are put forward for reference only.

關(guān)鍵詞：疊加制造;金屬材料;工模具

Key words： superposition manufacturing;metal materials;tools and dies

中圖分類號(hào)：TG66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0115-02

0? 引言

疊加制造技術(shù)，是將金屬材料以逐層疊加的形式來(lái)制造零件，從而達(dá)到零件圖紙要求的先進(jìn)制造技術(shù)。近年來(lái)，金屬材料的疊加制造工藝受到行業(yè)的關(guān)注和推崇。一方面，疊加制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)“快速成形”只能制造非金屬材料零件的局限，金屬材料的零件也可借助疊加制造技術(shù)來(lái)制造;另一方面，疊加制造技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量有效提升，進(jìn)一步降低零件的制造成本。

1? 金屬材料疊加制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 復(fù)雜幾何形狀的加工

金屬材料具備良好的延展性，能夠滿足制造業(yè)各領(lǐng)域的需要。同時(shí)，借助疊加制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)圖形和圖案的制造，能夠滿足多種工模具的制造要求，并且不會(huì)對(duì)金屬造成其他的影響。例如，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)內(nèi)部為螺旋線形狀型腔的零部件，大多存在一定的困難，而應(yīng)用疊加制造技術(shù)，可以利用疊加的形式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，同時(shí)還能夠?qū)ξ醇庸^(qū)域進(jìn)行保留，能夠?qū)崿F(xiàn)逐層模式的生產(chǎn)和制造。眾所周知，對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的工件在各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，疊加制造技術(shù)解決了制造中的難點(diǎn)，提升產(chǎn)品的適用性和實(shí)用價(jià)值。

1.2 多種材料的復(fù)合加工

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于金屬材料的復(fù)合加工能力提出了更高的要求。有些工模具或者機(jī)械零件，既要求表面有很高的耐磨性，同時(shí)又受到?jīng)_擊載荷的作用，要求有較好的韌性。這樣的工件，以前是采用低碳鋼進(jìn)行化學(xué)熱處理的方法來(lái)解決。如果采用疊加制造的方法，則可制造出具有功能梯度的材料來(lái)滿足以上工況的要求，而且比傳統(tǒng)方法能更好控制功能梯度各層的厚度，大大提高零件的性能。在工具制造領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)的要求更加苛刻，需要將多種特性的金屬材料復(fù)合于一體，借助于疊加制造技術(shù)也能達(dá)到此目的。

1.3 成本和效率的精準(zhǔn)控制

無(wú)論是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域還是傳統(tǒng)機(jī)械加工領(lǐng)域，生產(chǎn)成本與生產(chǎn)效率都是最為重要的因素。成本決定了疊加制造技術(shù)是否可以進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)踐和應(yīng)用，效率決定疊加制造技術(shù)是否能夠適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)化的發(fā)展模式，能夠?yàn)橹圃炱髽I(yè)提供巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及發(fā)展?jié)摿?。成本和效率的精?zhǔn)控制，是疊加制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用的重要原因，也是促進(jìn)該技術(shù)持續(xù)升級(jí)和改進(jìn)的主要因素。因此，對(duì)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員，需要不斷提升疊加制造技術(shù)的生產(chǎn)效率，降低制造技術(shù)的投入成本，從而形成良性的生態(tài)閉環(huán)。

2? 疊加制造技術(shù)的主要方式

2.1 選擇性激光熔化技術(shù)

選擇性激光熔化技術(shù)，是利用激光作為能量源將金屬粉末逐層熔化進(jìn)行疊加的制造技術(shù)。每一層金屬粉末按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的截面形狀，在激光的熱作用下實(shí)現(xiàn)金屬熔化，冷卻后與前一凝固層形成冶金結(jié)合，最終獲得模型所設(shè)計(jì)的金屬零件。選擇性激光熔化技術(shù)與選擇性粉末燒結(jié)技術(shù)的工藝過(guò)程相類似，但是選擇性粉末燒結(jié)技術(shù)只需把作為粘結(jié)劑的低熔點(diǎn)粉末熔化而高熔點(diǎn)粉末無(wú)需熔化，所以所需的溫度較低。而選擇性激光熔化技術(shù)務(wù)必要在激光的作用使金屬粉末完全熔化，熔化溫度高，金屬材料在冷卻時(shí)會(huì)形成較大的殘余應(yīng)力和變形，需要進(jìn)行后續(xù)熱處理以消除殘余應(yīng)力。

2.2 電子束熔融技術(shù)

電子束熔融技術(shù)，是近年來(lái)一種新興的疊加制造技術(shù)。它利用高能電子束逐層熔化金屬粉末來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的疊加制造。電子束熔融技術(shù)與選擇性激光熔化技術(shù)的原理大致相同，但是前者需要在真空環(huán)境中進(jìn)行加工。電子束熔融技術(shù)具有直接加工復(fù)雜幾何形狀的能力，如空腔、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等;具有在窄光束上達(dá)到高功率的能力，成型效率較高，可顯著縮短制造周期;成型環(huán)境溫度高（700℃以上），零件殘余應(yīng)力小等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于航空飛行器及發(fā)動(dòng)機(jī)多聯(lián)葉片、機(jī)匣、散熱器、支座、吊耳等零件的制造。

2.3 激光工程化凈成形技術(shù)

激光工程化凈成形技術(shù)，又稱激光近形制造技術(shù)或激光近凈成形技術(shù)。其工作原理是用高功率聚焦激光束在金屬基體上熔化一個(gè)局部區(qū)域，同時(shí)用噴嘴將金屬粉末噴射到熔融焊池里，粉末熔化繼而固化的疊加制造技術(shù)。完成一層金屬的成形后，噴嘴抬升一個(gè)分層厚度，繼續(xù)沉積新一層金屬。如此層層疊加，最后制成金屬零件。激光工程化凈成形系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、高功率激光器、鋪粉器和工作臺(tái)等四部分組成。激光工程化凈成形技術(shù)將選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，既保持了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成形零件的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺點(diǎn)。

激光工程化凈成形技術(shù)常用于制造注射模、大型金屬零件和大尺寸薄壁形狀結(jié)構(gòu)件，用于修復(fù)模具，也可用于加工活潑金屬，如鈦、鎳、鉭、鎢、錸及其它特殊金屬。

2.4 超聲波固結(jié)技術(shù)

超聲波固結(jié)技術(shù)，是將超聲焊接技術(shù)與數(shù)控輪廓銑削進(jìn)行結(jié)合的疊加制造技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)借助超聲波將金屬薄片逐層焊接，焊上一層后，即用數(shù)控加工方法加工出所需輪廓，以此反復(fù)，即可制造出三維實(shí)體物件。

美國(guó)Solidica公司在2000年便推出了超聲波固結(jié)技術(shù)的商品化設(shè)備，能夠?qū)⒔饘黉X、不銹鋼、鈦合金等金屬進(jìn)行焊接，金屬薄片厚度可以0.1-0.15毫米，具有一定的先進(jìn)性，受到行業(yè)各個(gè)企業(yè)的推崇。同時(shí)，該技術(shù)還能夠?qū)⒔饘俳z或者碳化硅纖維鑲嵌到金屬薄片之間，制造出金屬基復(fù)合材料。另外，部分研究人員實(shí)現(xiàn)了將光纖與傳感器鑲嵌到薄片之間，實(shí)現(xiàn)了零件與信息傳遞系統(tǒng)的一體化。

2.5 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，由計(jì)算機(jī)將零件的3D模型分成一定厚度的切片，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的疊加技術(shù)。3D技術(shù)主要有熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)成型、液體樹(shù)脂光固化成型等三種。

3D打印技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，如不需要機(jī)械加工或使用模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中打印制造出任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本;由于直接打印出產(chǎn)品，無(wú)需進(jìn)行加工，因此大幅減少了材料浪費(fèi);能夠打印出傳統(tǒng)加工無(wú)法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件等。

目前，3D打印已用于日常生活用品、醫(yī)學(xué)、機(jī)械零件及航空零件的打印等，隨著3D打印技術(shù)的深入研究和進(jìn)一步發(fā)展，將來(lái)必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

3? 疊加制造技術(shù)在工模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 模具隨形冷卻水道加工

傳統(tǒng)模具的冷卻水道，大多是以簡(jiǎn)單直孔形式進(jìn)行冷卻水的循環(huán)。因此，當(dāng)模具型腔結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜時(shí)，對(duì)應(yīng)的冷卻效果相對(duì)較差，而應(yīng)用疊加制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)隨形冷卻水道的有效制造，冷卻水道能夠根據(jù)型腔表面輪廓的變化而變化，達(dá)到很好的冷卻效果。一方面，隨形冷卻水道加工能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻水冷卻效應(yīng)的提升，另一方面，能夠借助疊加制造生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。受當(dāng)前金屬構(gòu)件生產(chǎn)加工技術(shù)的限制，隨形冷卻水道加工未能實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用和普及。隨著疊加技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，隨性冷卻模具的加工將成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

現(xiàn)代工藝領(lǐng)域普遍認(rèn)為電子束熔融技術(shù)是改造冷卻水道的重要方法，能夠在水道內(nèi)部實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)形的設(shè)定。根據(jù)該技術(shù)生產(chǎn)的水道與傳統(tǒng)水道進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者的加工零部件具有高精準(zhǔn)的尺度與冷卻成效，滿足當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求。

3.2 模具成形加工

疊加制造技術(shù)，克服傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜模具的快速制造?；谝淮涡缘募庸つＪ剑x擇性激光融合技術(shù)，是較為常見(jiàn)的應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜形狀模具的快速制造，同時(shí)能夠滿足批量生產(chǎn)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。超聲固結(jié)技術(shù)，也是模具快速成形的重要核心技術(shù)，使用該技術(shù)加工出的模具被廣泛應(yīng)用到航天工業(yè)領(lǐng)域中。模具被譽(yù)為工藝之母，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要核心技術(shù)，借助疊加生產(chǎn)制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬模具制造生產(chǎn)領(lǐng)域的突破和創(chuàng)新，提升模具制造的價(jià)值和意義，符合當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，具有極為重要的科研價(jià)值。吉列、比亞迪等汽車制造企業(yè)，已經(jīng)開(kāi)展模具成形加工制造的升級(jí)和優(yōu)化，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3 工具材料改進(jìn)

應(yīng)用疊加制造技術(shù)，可使異性或非均質(zhì)材料用于制造工具稱為可能。也就是說(shuō)，利用疊加制造技術(shù)，通過(guò)配置各種材料的組成比例或者利用不同材料之間的性能差異，制造復(fù)合材料或功能梯度材料并用于工具制造，使工具制造材料的種類更加多樣化。使用激光工程化凈成形技術(shù)和超聲波固結(jié)技術(shù)可生產(chǎn)出用于工具制造的功能梯度材料。如可使用超聲波固結(jié)技術(shù)，以鋁合金為基材，把不銹鋼、銅、鉻鎳合金等材料結(jié)合在一起，制造出復(fù)合材料或功能梯度材料。對(duì)工具材料的改進(jìn)和升級(jí)，提升了工具的適應(yīng)性和使用壽命，拓展了工具的加工范圍。使有些以前使用傳統(tǒng)工具不能加工的工件加工成為可能，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 工具修復(fù)

利用疊加制造技術(shù)對(duì)工具修復(fù)進(jìn)行修復(fù)，主要是針對(duì)部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工具或用難以加工的材料制造的工具，因?yàn)檫@些工具磨損后修復(fù)十分困難，有些甚至無(wú)法修復(fù)而報(bào)廢。利用疊加制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)金屬粉末的添加修復(fù)而不是傳統(tǒng)的磨削修復(fù)，因此對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜或高硬度難以加工的工具均可修復(fù)。

因此，借助多種疊加制造技術(shù)，能夠在條件受限的情況下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工具的快速有效修復(fù)。不少工具由于長(zhǎng)時(shí)間的使用，導(dǎo)致工具表面涂層出現(xiàn)脫落，影響了工具的使用，借助疊加制造技術(shù)，能夠?qū)ぞ叩谋砻孢M(jìn)行二次修復(fù)，恢復(fù)工具的使用特性[3]。

4? 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)疊加制造技術(shù)的具體內(nèi)容的分析和論述，結(jié)合對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析和探索。金屬材料的使用，借助疊加制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Γ蠒r(shí)代的發(fā)展需求以及行業(yè)的發(fā)展方向，作為工業(yè)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)，金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展具有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]白龍，陳建軍，梁國(guó)祥.柴油機(jī)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)件制造疊加應(yīng)力對(duì)表面完整性的影響研究[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2020（02）：55-58.

[3]吉桂明，田甜，解麗靜.使用疊加制造技術(shù)3D打印渦輪葉片[J].熱能動(dòng)力工程，2019，34（04）：14.