激光增材制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)備零件中的應(yīng)用*

羅方焰，焦天文，陳豐林，黃 江

（1.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東省智慧海洋傳感網(wǎng)及其裝備工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

增材制造（AM）技術(shù)（也稱為3D 打印技術(shù)）起源于20 世紀(jì)80 年代，是一種基于離散-堆積原理，由三維CAD 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，直接制造實(shí)體零部件的高端數(shù)字化制造技術(shù)[1]。激光增材制造技術(shù)（LAM）是以金屬粉末為原材料、以激光為能量源的一種增材制造方式，其特點(diǎn)是直接、快速、綠色環(huán)保、高柔性、數(shù)字化、智能化。按照材料添加的方式不同，可以將金屬零部件激光增材制造技術(shù)分為兩類，一種是以同步送粉為技術(shù)特征的激光熔覆沉積LCD 技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以制造大尺寸零件，設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是成形精度低，主要用于零件的修復(fù)。另外一種是基于粉末床鋪粉的激光選區(qū)熔化成形SLM 技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是成形精度高，構(gòu)件力學(xué)性能好；缺點(diǎn)是成形效率低，單光束激光成形尺寸偏小，適用于精度要求高的復(fù)雜零部件的生產(chǎn)。

相比傳統(tǒng)減材制造（如機(jī)械加工、化學(xué)銑削等材料去除加工）和等材制造（如鑄造、沖壓等模具控形加工），LAM 技術(shù)具有快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、高效利用原材料、可高度優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和適應(yīng)個(gè)性小批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，非常符合農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造整體化、復(fù)雜化、輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化的制造需求，為傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了巨大幫助。

1 我國(guó)農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造現(xiàn)狀

隨著我國(guó)農(nóng)機(jī)零件制造技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的整體技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度得到了顯著提升，農(nóng)機(jī)設(shè)備的功能、可靠性等也都得到了明顯提升。但我國(guó)的農(nóng)機(jī)設(shè)備還存在可靠性、耐用性低，維修率高，關(guān)鍵零部件精度不足等缺點(diǎn)。在關(guān)鍵零部件質(zhì)量提高、個(gè)性化生產(chǎn)和零件替換等關(guān)鍵技術(shù)方面，與國(guó)外還存在較大差距。

數(shù)控制造技術(shù)是目前我國(guó)農(nóng)機(jī)設(shè)備零件主要的現(xiàn)代化制造技術(shù)。數(shù)控技術(shù)通過將二維圖紙、三維模型導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床，就能自動(dòng)生成加工程序，經(jīng)過工人簡(jiǎn)單的檢查與修正，即可快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的批量化自動(dòng)制造[4]，具有生產(chǎn)效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且還省去了人工對(duì)零件拆裝、測(cè)量、再加工的過程，使得農(nóng)機(jī)設(shè)備零件的制造效率和水平有了質(zhì)的飛躍。

使用傳統(tǒng)的數(shù)控制造技術(shù)生產(chǎn)特定的零部件時(shí)，生產(chǎn)耗時(shí)長(zhǎng)、效率低下、成本昂貴。對(duì)于新研發(fā)的設(shè)備零件或新型材料的生產(chǎn)而言，試錯(cuò)成本較高，這在一定程度上制約了農(nóng)機(jī)設(shè)備的推廣與應(yīng)用。采用激光增材技術(shù)即可解決上述問題，使用激光增材技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)零部件，減少生產(chǎn)成本，大型農(nóng)業(yè)設(shè)備利用多臺(tái)增材設(shè)備制造一套關(guān)鍵零部件通常只需3～4 天的時(shí)間[4]。若新零件或新材料在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不合理之處或是出現(xiàn)錯(cuò)誤，能夠及時(shí)進(jìn)行修改，降低試錯(cuò)成本，提升研發(fā)速度。并且，采用激光增材技術(shù)可以提高零部件的硬度和耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)于損壞的零部件，可用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)并增強(qiáng)性能；對(duì)于可更換的已損壞零部件，可以使用激光增材技術(shù)專門制造，能夠滿足不同機(jī)械對(duì)于同種零件的不同尺寸或不同加工精度的需求。

隨著技術(shù)的不斷成熟，激光增材制造技術(shù)目前也開始應(yīng)用于農(nóng)機(jī)的零件制造，激光增材制造技術(shù)在零件制造領(lǐng)域包括直接零件制造和間接零件制造兩個(gè)方面。直接零件制造多采用SLM 技術(shù)制造形狀復(fù)雜、曲面較多的零件，如水輪機(jī)的葉輪、旋耕刀、開溝機(jī)的開溝裝置、送料螺旋等；間接零件制造技術(shù)則首先通過SLA、SLS 等激光增材制造技術(shù)制造產(chǎn)品的模型，其次以3D 打印的零件模型為基礎(chǔ)鑄造模具，最后對(duì)鑄造的零件進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)加工獲得最終的零件。對(duì)于農(nóng)機(jī)的核心部件如農(nóng)用水泵的葉輪等，可采用SLA 光固化技術(shù)，其能在更少的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的母模，再通過快速熔模鑄造技術(shù)等，可小批量生產(chǎn)葉片、葉輪、渦輪等復(fù)雜零件[5]。

2 激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造的可能性

農(nóng)機(jī)設(shè)備的需求量不斷增長(zhǎng)，對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、售后、維修等工作提出了更高的要求。面對(duì)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備零件進(jìn)行制造的過程中，既要兼顧高質(zhì)量和精細(xì)化的要求，也需要不斷提高設(shè)備的制造性能。因此，本文將從以下兩個(gè)方面討論激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造的可能性。

2.1 精細(xì)化程度和力學(xué)性能

陳光霞等[6]對(duì)DLF 與SLM 兩種激光增材快速成型技術(shù)進(jìn)行分析和比較，得出SLM 與DLF 兩種技術(shù)都可提高零部件的生產(chǎn)精度的結(jié)論。其中，SLM 的成型精度要優(yōu)于DLF 技術(shù)；力學(xué)性能方面，兩者都具有較高的性能，均優(yōu)于普通不銹鋼。李超[7]通過激光增材制造成形316L 不銹鋼，發(fā)現(xiàn)通過激光增材制造技術(shù)制造的316L 不銹鋼，可以獲得比傳統(tǒng)冶金方法制備的316L 不銹鋼更加優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性。因此，激光增材技術(shù)十分適用于農(nóng)機(jī)設(shè)備零部件的生產(chǎn)與修復(fù)，特別是對(duì)于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備零件的生產(chǎn)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)軸等具有超高精度要求的關(guān)鍵零部件。對(duì)于刀片、鉆頭等易損耗、需要經(jīng)常維修的零件可采用DLF 技術(shù)與激光熔覆技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)并提高性能。

2.2 農(nóng)機(jī)零件制造所需的復(fù)合材料

激光擁有能量密度高的特點(diǎn)，因此相較于其他的增材制造技術(shù)，激光也從根本上決定了增材制造過程中金屬材料能否熔化的本質(zhì)問題[8]。激光增材制造技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)是可對(duì)高熔點(diǎn)、難加工的大型金屬進(jìn)行零件的加工制造，并且不受零件結(jié)構(gòu)、形狀的限制，可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ诙嘈阅懿牧系男枨?，?shí)現(xiàn)整體成型和多材料成型。

金屬激光增材制造（LAM）可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、晶粒細(xì)小的高性能金屬構(gòu)件[9]，其采用激光、電子束和電弧等離子弧為熱源，具有適用材料范圍廣、能量密度高、成型精度高等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了農(nóng)機(jī)設(shè)備關(guān)鍵零部件所需要求。宋波等[9]在《金屬激光增材制造材料設(shè)計(jì)研究進(jìn)展》一文中，清晰列舉了鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金等在經(jīng)過LAM 技術(shù)制造后的情況，發(fā)現(xiàn)其性能都得到了普遍提升。鄧澄等[10]運(yùn)用激光增材制造純鎢制件，實(shí)現(xiàn)了合金硬度的提高，并通過優(yōu)化掃描速率和激光功率等加工參數(shù)，降低了成形過程中的熱累積效應(yīng)，減少了溫度梯度和熱應(yīng)力等因素的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)了高性能鎢銅復(fù)合材料微型結(jié)構(gòu)件的制備。馮曉甜等[11]通過送粉式激光增材技術(shù)制造TC4 鈦，觀察到熔覆層硬度提高，并擁有較好的抗電化學(xué)腐蝕和耐點(diǎn)蝕能力。

3 激光增材技術(shù)在我國(guó)農(nóng)機(jī)零件制造中的應(yīng)用前景

農(nóng)機(jī)零件制造相較于高端設(shè)備零件制造總處于落后階段，為促進(jìn)我國(guó)農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造的發(fā)展，有必要加強(qiáng)激光增材制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造上的應(yīng)用。通過借鑒高端制造領(lǐng)域先進(jìn)激光增材制造技術(shù)的研究成果，為農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造提供研究方向，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

3.1 設(shè)計(jì)適用于農(nóng)機(jī)設(shè)備的激光增材制造生產(chǎn)設(shè)備

陳光霞等[12]在《SLM 激光快速成型設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)》一文中自主研發(fā)了一套SLM 快速成型設(shè)備。實(shí)踐證明，該設(shè)備不僅成本較低，而且能制造形狀復(fù)雜、精度較高的金屬零件，因此具有較高的使用推廣價(jià)值?；诖?，未來可以貼合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和性能需求，研發(fā)適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的激光增材制造生產(chǎn)設(shè)備。

3.2 完善基礎(chǔ)工作和層級(jí)設(shè)計(jì)

目前的激光增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)理念不完善，還缺乏理論指導(dǎo)，應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造的理論指導(dǎo)更是少之又少。宋波等[9]曾指出如今LAM 技術(shù)的設(shè)計(jì)理論不完善、材料體系不健全等問題。特別是對(duì)于農(nóng)機(jī)設(shè)備零件在特殊環(huán)境服務(wù)時(shí)的需求，例如低溫、高溫、耐腐蝕、抗疲勞等的可控設(shè)計(jì)，還存在很大的發(fā)展空間。因此，應(yīng)做好激光增材制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造中的基礎(chǔ)工作，不斷完善其技術(shù)體系和理論基礎(chǔ)，吸取高端制造行業(yè)積累的理論成果和制造工藝經(jīng)驗(yàn)，打造適用于農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造的理論與生產(chǎn)體系，從而提升農(nóng)機(jī)設(shè)備零件生產(chǎn)的各項(xiàng)性能與生產(chǎn)效率。

目前，激光增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)方法大多是提升材料的加工性能，并沒有從材料的多層級(jí)、多因素方面進(jìn)行考慮，因此未來應(yīng)從材料的適用環(huán)境與所需功能入手進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)完善設(shè)計(jì)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)、多因素的可控設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于農(nóng)機(jī)設(shè)備零件制造，應(yīng)在滿足性能的同時(shí)提高硬度、耐腐蝕性、抗疲勞性、耐高溫或耐低溫性等。

3.3 提高抗疲勞性

如今對(duì)激光增材制造技術(shù)制造的零部件的研究，大多集中在室溫下的拉伸性能、硬度、耐腐蝕性等方面，而對(duì)于耐高/低溫性能和抗疲勞性能的系統(tǒng)研究相對(duì)較少。雖然農(nóng)機(jī)設(shè)備零件的關(guān)鍵性能是硬度、拉伸性能、耐腐蝕性，但是大部分農(nóng)機(jī)設(shè)備零件需長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行高強(qiáng)度的工作，這要求農(nóng)機(jī)設(shè)備關(guān)鍵零部件擁有良好的抗疲勞性能。

廖宇等[13]對(duì)激光增材制造技術(shù)制造的金屬材料進(jìn)行了疲勞壽命研究，設(shè)計(jì)了多組帶典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的模擬試驗(yàn)件，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，鋁合金相較于鈦合金存在較大缺陷，鈦合金粉末試驗(yàn)件的疲勞分散性較鍛件更大，壽命差異最大可達(dá)2個(gè)量級(jí)。

如今通過激光增材制造技術(shù)制造的農(nóng)機(jī)設(shè)備零件，還不能很好地滿足高抗疲勞性的要求，且產(chǎn)品的抗疲勞性能不穩(wěn)定。因此，在未來如何通過激光增材制造技術(shù)制造力學(xué)性能良好且抗疲勞性高的農(nóng)機(jī)設(shè)備零件，是一個(gè)非常重要的研究方向。

3.4 個(gè)性化設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，生產(chǎn)者對(duì)工具的使用因傳統(tǒng)習(xí)慣、地理環(huán)境因素、自身?xiàng)l件的不同而存在差異。盡管我國(guó)有許多不同的農(nóng)機(jī)設(shè)備生產(chǎn)制造商制造不同規(guī)格的農(nóng)機(jī)設(shè)備，但是各制造廠商主要還是按照自身設(shè)計(jì)規(guī)格進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)制造，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者只能在固定范圍內(nèi)選擇設(shè)備。另外，我國(guó)大部分農(nóng)機(jī)設(shè)備都有固定功能，例如收割機(jī)、播種機(jī)、除草機(jī)等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)購買農(nóng)機(jī)設(shè)備的成本也比較昂貴，這些問題都阻礙了我國(guó)農(nóng)機(jī)設(shè)備的發(fā)展、推廣和普及。

隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，制造商可以通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供的CAD 制圖、簡(jiǎn)易圖片或口頭描述，按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的特殊要求進(jìn)行定制，以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的自身習(xí)慣以及對(duì)于特殊工作環(huán)境的要求。這不僅能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的個(gè)性化定制需求，提升生產(chǎn)效率，也能降低企業(yè)的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

隨著激光技術(shù)與制造技術(shù)的快速發(fā)展，激光增材制造技術(shù)成為推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的新引擎[14]，但由于激光增材制造技術(shù)的制造過程不夠精細(xì)、設(shè)備不夠完善，以及農(nóng)機(jī)設(shè)備自身的特點(diǎn)和工作環(huán)境的特殊性，激光增材制造技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用還比較困難，在農(nóng)機(jī)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用與研究還處在滯后階段。激光增材制造技術(shù)在高端制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已經(jīng)積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)理論，特別是在汽車制造領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)成果，這對(duì)于其在農(nóng)機(jī)設(shè)備零件生產(chǎn)中的應(yīng)用具有十分重要的參考意義與價(jià)值。并且激光增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件具有精度高、力學(xué)性能良好、抗腐蝕性強(qiáng)、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，不僅能夠?qū)p壞的零件進(jìn)行修復(fù)，還能夠很好地解決我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備應(yīng)用中普遍出現(xiàn)的問題?？傮w來說，激光增材制造技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>