現(xiàn)代金屬智能制造技術的發(fā)展綜述

張修路，張 恒，白玉龍

(1.沈陽城市學院，遼寧 沈陽 110112；2.沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110023)

金屬材料的智能制造及加工技術是當今工業(yè)發(fā)展的重要方向，我國在該方面也取得了一些不凡的成果。進入21世紀以來，我國在智能加工方面發(fā)展迅速，在許多科研的重點項目上取得了重大成果，其中就包括常見的機器人技術、控制技術、可靠性技術、機械制造工藝技術、數(shù)控技術與數(shù)字化制造、智能信息處理技術等[1]。2012年，我國發(fā)布了《智能制造裝備產(chǎn)業(yè) “十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，并設立《智能制造裝備發(fā)展專項》，以便能夠更好地加快智能制造裝備自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，推動我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級。同時，該發(fā)展專項還對如何結(jié)合世界發(fā)展的趨勢和未來前沿制高點進行了專項的規(guī)劃。在不斷努力下，成功攻克了一批前沿核心技術和共性關鍵技術，成功使一批智能化高端裝備得以問世，并進行示范應用和產(chǎn)業(yè)化，為實現(xiàn)我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變奠定技術基礎[2]。

但智能制造在我國仍存在問題，比如,對智能制造基礎研究能力不足，對引進的先進技術無法全面吸收；技術路線不太清晰，國家對于智能制造方面的協(xié)調(diào)管理尚且需要完善；對于一些高端制造設備與裝備還需要向國外引進，對外的依賴程度較高等。

1 增材制造技術

1.1 增材制造技術的介紹

增材制造技術(Additive Manufacturing，簡稱AM)，俗稱3D打印。該技術很好地將計算機輔助設計、材料加工與成型技術融合在了一起，然后以計算機的數(shù)字模型文件為基礎，通過控制軟件和自動數(shù)控系統(tǒng)，把專用的有色金屬材料、化學金屬材料、非金屬材料等，按照一定的程序進行實體擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等多種加工方式，分別進行逐層材料堆積，進而完成制造[3]。與傳統(tǒng)的、對所用原材料加工進行批量去除、切削、組裝的手工制造加工工藝方式不同，增材制造技術是采取“自下而上”的加工方式，通過針對原材料加工進行批量累加，該技術打破了傳統(tǒng)制造方法的約束，可通過計算機輔助設計來制造更多的復雜產(chǎn)品，而產(chǎn)品也具有多樣化，其成本也有一定的改善。

增材制造技術是一種泛指基于重要零部件的二次離散-三維堆積的加工原理，由重要零部件三維加工數(shù)據(jù)系統(tǒng)驅(qū)動直接加工生產(chǎn)重要零部件的一種新型科學工程技術生產(chǎn)系統(tǒng)?；诓煌难杆偌庸すに嚹Ｊ叫枰M行技術分類，可以大致劃分四類，分別為迅速加工原型、快捷快速成形、迅捷快速制造、3D快速打印。其中的迅速技術仍然正在不斷地取得進步，外延性也在不斷地被拓寬。

1.2 增材制造技術的特點

增材制造技術是基于計算機輔助設計，通過材料的自上到下的累積進行加工制造，最終形成一個實體的立式模型。增材制造技術打破了傳統(tǒng)制造方法的約束，可通過計算機輔助設計來制造更多的復雜產(chǎn)品，而產(chǎn)品也具有多樣化，其成本也有一定的改善。對于增材制造技術只需要一臺機器、一個電腦便可以進行加工制造，十分方便，而且無需改動模具。在普通的制造過程中如果改動模具，對于加工來說是對成本的一個累積，新的模具無疑是最增加成本的，而增材制造解決了這一點，它無需更換甚至無需模具，這在降低成本方面得到巨大改善。并且其生產(chǎn)周期短，這是增材制造技術最大的優(yōu)點，相對于老式制造，增材制造對所需的制造能力要求較低，其需要的操作較少、易操作，而且增材制造技術占地面積小，方便攜帶，即使在戰(zhàn)場與災區(qū)這種困難環(huán)境下，依然可以發(fā)揮其作用。同時，增材制造技術可以完美復刻3D軟件上的制作模型，完成精準制造，制造后沒有垃圾廢料，提高了環(huán)保質(zhì)量。

但是增材制造技術對原材料的要求相對較高，無法充分使用各種材料，材質(zhì)緊缺已經(jīng)成為了增材加工設備中最致命的一個缺點。其所采用的制造設備和機器的成本也相對傳統(tǒng)制造較高，無法進入廣大民眾家庭中。目前國內(nèi)外常見的增材加工設備制造和加工技術主要包括以下幾種[4]：金屬激光燒結(jié)技術(Direct Metal Laser-Sintering，簡稱 DMLS)、電子束熔融技術(Electron Beam Melting，簡稱 EBM)、激光選區(qū)熔化技術(Selective Laser Melting，簡稱SLM)、選擇性激光燒結(jié)技術(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)、激光立體成型技術(Laser Solid Forming，簡稱LSF)、電子束自由制造技術(Electron Beam Freeform Fabrication，簡稱EBF3)、熔融沉積成型技術(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)、光固化立體成型技術(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)、分層實體制造技術(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)等。

1.3 增材制造技術的應用領域

經(jīng)過20多年的探索與發(fā)展，增材制造技術已經(jīng)歷了一個由萌芽階段向產(chǎn)業(yè)化、由原型陳列階段到零部件直接生產(chǎn)與制造階段的轉(zhuǎn)變，發(fā)展非常迅猛。美國一家專門為增材加工制造技術顧問服務的機構(gòu)Wohlers協(xié)會，其發(fā)布的《Wohlers Report 2020》報告被稱之為3D打印的行業(yè)圣經(jīng)，成為國內(nèi)外3D打印從業(yè)人士參閱的寶典。該報告就各個行業(yè)在增材制造領域的應用狀況做出了分析，比如在持續(xù)的新型冠狀病毒全球大流行中，意大利的Isinnova公司利用增材制造技術為醫(yī)院生產(chǎn)了許多呼吸閥。同時，在剛剛過去的幾年里，航空裝備零部件的制造與醫(yī)療器械的制造一直都是增材制造產(chǎn)品數(shù)量增長速度最高的應用場所。2020年全球增材制造收入已達158億美元，該公司預計，2022年收入預測將攀升至239億美元，到2024年將達到356億美元。增材加工制造技術目前仍然處于高速發(fā)展時期，并且擁有旺盛的市場生命力。隨著科學信息技術的發(fā)展，應用范圍也將變得更加廣闊。

2 飛秒激光技術

2.1 飛秒激光技術的介紹

飛秒是一個時間計量單位，一飛秒相當于10-15秒，也就是1/1000萬億秒。激光是指在組成化學物質(zhì)的各個原子中，有不同強度和數(shù)量的粒子均勻地分布在各個能量層上，這些粒子從最初的高能層躍遷至最后的低能層上，它們就會向外輻射產(chǎn)生出與激發(fā)它相同性質(zhì)的光[5]。

飛秒激光技術是一種以激光電磁波或激光脈沖的各種形式自由快速運轉(zhuǎn)的化學激光組成，其加工持續(xù)時間非常短，且具有非常高的瞬間運動速度和加工功率。其在加工過程中，激光可以輕松地直接實現(xiàn)對任何一種材料的精細激光加工、修補和激光微波衍射處理，激光在極短的精細加工持續(xù)時間和極小的作用空間內(nèi)與其他化學物質(zhì)相互作用，作用時間范圍內(nèi)的激光溫度在瞬間內(nèi)急劇地快速上升，并以激光等離子體向外快速運動噴發(fā)的各種形式作用使其可以得到飛秒激光斑的去除。飛秒激光技術避免了傳統(tǒng)加工中高溫熱融和熔化過程產(chǎn)生的質(zhì)量問題，大幅降低和有效消除了由于傳統(tǒng)加工過程管理中的高溫熱效應可能帶來的許多其它負面影響。

德國漢諾威激光中心的B.N.Chickov研究小組在真空環(huán)境中放置了100mm厚的鋼片，然后分別用納秒激光與飛秒激光進行加工。經(jīng)過104個脈沖照射后，對比兩者的處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有明顯的不同，如圖1所示。這便說明了飛秒激光的準確性與良好的工藝性。

(a)納秒激光加工；(b)飛秒激光加工圖1 納秒激光與飛秒激光加工對比圖Fig.1 Comparison of nanolaser and femtosecond laser processing

2.2 飛秒激光的主要用途

飛秒激光的主要用途可以概括為以下三個方面，即在超快領域內(nèi)的應用、在超強領域內(nèi)的應用和在超微細加工中的應用。飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領域中起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光就像一個精細的時鐘和一架超高速相機，對于自然界的原子與分子都可以快速進行分析，并且記錄下來。飛秒激光在超強領域中的應用主要歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強可以非常之高，飛秒強光可用來產(chǎn)生X射線和其它極短波長的光進行核聚變。飛秒激光用于超微細加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強現(xiàn)象研究之外的又一個飛秒激光技術的重要的應用研究領域，其對于關鍵工業(yè)生產(chǎn)有著直接的推動作用[6]。

3 超聲加工技術

3.1 超聲加工技術的介紹

超聲加工技術是利用超聲頻(16kHz～25kHz)振動的工具端面沖擊工作液中的懸浮磨粒，并通過它與工件之間的游離物質(zhì)和液體內(nèi)部中的磨料進行敲擊和震蕩作用，使得工件材料在物質(zhì)和表面逐漸破碎而形成的一種特殊加工，其工作原理如圖2所示。超聲波加工通常被應用在穿孔、剪切、焊接、套材及拋光等方面[7]。

圖2 超聲加工技術工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic processing technology

其特點為：(1)由于機械振動加工方式是利用機械超聲波轉(zhuǎn)化為振動的機械，所以相比于各類柔韌性材料機械加工所產(chǎn)生的機械振動效果相對較好；(2)加工過程中，工具頭和零部件間均存在著磨料上的懸浮液，當被加工的材料是為了保持薄壁上的厚度以及狹窄裂隙時，其加工效果明顯，脆性越強的材料則比較容易；(3)用于超聲波加工的機械頭可以采用硬度較小的物質(zhì)，可以做出相對復雜的形狀。

相對于傳統(tǒng)機械加工方式，超聲加工也有諸多不足，例如，在超聲加工中，加工速度較慢，生產(chǎn)效率低，在后期還需要防腐處理，因此增加了工序，同時也增加了成本；加工時工件被加工出來的破碎物不容易直接排出，當加工進行到一定深度時，工具頭進給困難，容易造成加工中斷、無法持續(xù)的現(xiàn)象[8]。

3.2 超聲橢圓振動加工技術

超聲波橢圓振動加工技術主要原理是，通過觀察橢圓整體振動的作用超聲波將其振動附加作用到各種切削加工刀具上，使得切割工件的切削刀尖高度能夠與其相對于所有需要進行加工的切削工件按照其橢圓振動軌跡相反方向移動進行橢圓振動，進而不斷完善切削加工材料工藝。是將先進的光學電子技術、計量控制技術、機械振動和加工原理以及加工材料流動力學等多個熱門加工專業(yè)學科聯(lián)合組成到一起的一門綜合性加工學科。其應用方法分為熔接法、鉚焊法、埋植、成型、電焊和切割封口等[9]。

熔接法是以超音波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下，使二塊金屬的接合面產(chǎn)生磨擦熱而瞬間熔融接合，可達到水密或氣密，并免除采用輔助品所帶來的不便，實現(xiàn)高效清潔的熔接。

鉚焊法是將具有特殊特性的超音波動的金屬鉚釘連接焊頭，壓著產(chǎn)品突出的鉚釘?shù)母啥撕附由翌^，使之瞬間迅速地膨脹發(fā)熱，甚至融化而形成為金屬鉚釘?shù)恼w形狀，使不同鉚釘類型和各種材質(zhì)的焊接工藝將鉚釘緊密地焊接聚集結(jié)合到一起。

埋植是利用焊接孔與接頭之間的傳道及適當?shù)暮附訅毫?，瞬間將各種特殊金屬焊接部件全部直接擠進模具預留的一個塑料孔內(nèi)，固定在一定的塑料深度，完成后不管任何拉力、扭矩均能與一般傳統(tǒng)的焊接模具在孔內(nèi)相互作比較，可以有效避免焊接射出模的零件受損和模具射出緩慢的雙重缺點。

成型技術工藝應用方法與傳統(tǒng)鉚焊擠壓工藝相同，將一個大型凹狀圓形焊頭直接擠壓至整個金屬產(chǎn)品的物件外圈，焊頭上面會發(fā)出高頻超音波并在超高頻高速振動后將整個金屬產(chǎn)品進行加熱熔融融合成形，并且由包覆于任何一種金屬制品物件外圈中的彈性鋁合金金屬材料固定。其產(chǎn)品外觀光滑美觀，適用于各種電子產(chǎn)品制造、化妝品包裝制造、隱形眼鏡片制造等。

點焊技術是將二片金屬分點進行熔接，而不必預先做好所設計的焊線，達到熔接的目的。對于一些比較大型的焊接工件，不易按照實際設計需要焊接管線的各種工件焊接要求同時進行焊接分點連續(xù)焊接，而且為了能夠達到多點熔化和連續(xù)分點焊接的良好效果，可以同時使用進行多點連續(xù)焊接。

切割封口主要采用了一種超音波瞬間高頻發(fā)振的快速工作運動原理，對各種化纖和紡織物面料進行了快速切割，其主要技術優(yōu)點之一是刀割切口光潔不容易開裂、不容易產(chǎn)生拉絲[10]。

4 結(jié)論

本文通過三種先進的制造技術引出智能制造的重要性，并探討了金屬材料智能制造應用前景的廣闊性。當今智能制造在航空航天、車輛工程、水利工程等方面都起到了重要的技術支持作用，未來加強對智能制造方面的協(xié)調(diào)管理，加強對智能制造的基礎知識理解，研究出我國自己的制造工具，在智能制造方面做強，這樣才會在未來智慧化工廠中占有一席之地。智能機器人與系統(tǒng)管理者實現(xiàn)在制造系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)真正的全自動化與全智能化。

現(xiàn)在我國在金屬智能加工技術上雖取得了一定的成果，但依然需要科技創(chuàng)新，對于當今這個社會工業(yè)化的環(huán)境下，金屬材料智能加工的應用前景是很好的，在未來科技不斷發(fā)展的過程中，金屬材料智能制造的應用會更加寬廣，要以實體經(jīng)濟為主體，大力發(fā)展科技研究。智能加工同樣提高的是加工質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量的全面提升是樹立品牌的前提條件，它將推動中國制造向中國智造的轉(zhuǎn)型。