增減材復(fù)合技術(shù)的研究

吳曉輝

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

當(dāng)今工業(yè)的主要焦點(diǎn)是在最短的時(shí)間內(nèi)推出一種新產(chǎn)品。近年來(lái)，增材制造技術(shù)為人們所熟悉，并逐漸成為一種新興的制造方式，很多國(guó)家都高度重視并積極推廣應(yīng)用該技術(shù)[1]。復(fù)合制造是一種大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間的方法，在所有產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中都非常重要，用于預(yù)測(cè)早期設(shè)計(jì)階段的制造約束、時(shí)間和成本，并有助于找到解決方案，以盡量減少或消除其中的一些困難。本文基于既能增材也能減材制造的復(fù)合制造工藝的重要概念，開(kāi)展研究與分析。

1 研究現(xiàn)狀

在過(guò)去的30年里，增材制造被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命。在教育、醫(yī)療、電器、船舶、汽車(chē)、通信技術(shù)、航空航天和軍工等領(lǐng)域，增材制造技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際和研發(fā)生產(chǎn)中[2]。該技術(shù)通過(guò)逐層添加材料，可直接從CAD模型中生成實(shí)體零件。同時(shí)，工業(yè)部門(mén)在傳統(tǒng)減材制造領(lǐng)域也取得了重大進(jìn)展。

增材和減材制造都有各自的優(yōu)勢(shì)，但也具有各自的缺點(diǎn)。增材和減材制造的優(yōu)勢(shì)和短板給復(fù)合制造工藝帶來(lái)了機(jī)會(huì)。通過(guò)增材和減材制造互補(bǔ)、融合形成的增減材復(fù)合制造[3]，突破了傳統(tǒng)加工條件對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，大大縮短了研發(fā)周期，保證了零件的質(zhì)量和精度[4]。這是制造業(yè)的一次重大飛躍。增材和減材制造優(yōu)劣勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 增材和減材制造優(yōu)劣勢(shì)

近年來(lái)，增材與減材相結(jié)合的制造技術(shù)在制造領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。這種組合不僅利用了獨(dú)立技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，而且還將它們的局限性降到了最低。通過(guò)增材制造工藝建立零件的復(fù)雜形狀，然后通過(guò)數(shù)控技術(shù)加工實(shí)現(xiàn)零件質(zhì)量，資源消耗和材料浪費(fèi)以及環(huán)境影響可以顯著降低。許多研究已經(jīng)成功地將增材和減材相結(jié)合，用于制造具有良好精度的復(fù)雜零件、工具或重要部件的處理和再制造。Osama Abdulhameed等[5]采用選擇性激光熔化技術(shù)修復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器噴嘴，他們的研究也驗(yàn)證了選擇性激光熔化技術(shù)在現(xiàn)有組件上構(gòu)建新特性的可行性。然而，對(duì)于復(fù)合制造加工過(guò)程的工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究還很有限。Mayur Vispute等[6]提出了一種基于復(fù)合制造工藝印刷后整理的新方法，采用三軸數(shù)控銑床對(duì)零件表面加工進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)例分析結(jié)果表明，加工后的工件表面光潔度顯著提高；Bai Qian等[7]對(duì)6511馬氏體不銹鋼的沖壓成形工藝進(jìn)行了研究，對(duì)樣品優(yōu)化后的表面光潔度更好；為了彌補(bǔ)需要大量的人工干預(yù)來(lái)進(jìn)行特征識(shí)別和知識(shí)解釋，并且派生的工藝計(jì)劃的質(zhì)量很難量化這一不足，Zheng Yufan等[8]提出了一種基于成本驅(qū)動(dòng)的復(fù)合制造工藝規(guī)劃方法，并且提出了一種自動(dòng)加減法特征提取方法，并將工藝規(guī)劃任務(wù)轉(zhuǎn)化為成本最小化優(yōu)化問(wèn)題，以保證高質(zhì)量的解決方案；Niechen Chen等[9]驗(yàn)證了復(fù)合制造能為零件的及時(shí)交付提供一種新的解決方案，最大限度地減少了庫(kù)存和材料浪費(fèi)；Liu Jikai等[10]提出了一種增減法復(fù)合制造的拓?fù)鋬?yōu)化方法，并通過(guò)設(shè)計(jì)一些三維結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了該方法；在復(fù)合制造過(guò)程中，由于多個(gè)過(guò)程的相互作用而產(chǎn)生了零件畸變，Jarred C. Heigel等[11]主要研究了在增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)后續(xù)加工過(guò)程中零件畸變的影響。

2 復(fù)合制造技術(shù)的應(yīng)用

復(fù)合制造工藝可以從幾個(gè)方面進(jìn)行分類，最常見(jiàn)的復(fù)合制造工藝中的二次加工是機(jī)械加工，其主要目標(biāo)通常是提高表面光潔度和幾何精度[12]。第二類最常見(jiàn)的復(fù)合制造工藝屬于熱工藝，包括激光輔助熔化，如激光重熔或侵蝕。這些二次加工利用熱能來(lái)改善印刷工藝或修復(fù)先前沉積層的材料性能。另一類二次加工包括機(jī)械表面處理，如噴丸或滾壓[13]。這些工藝對(duì)印刷層進(jìn)行改造，可以使表面光潔度提高，微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)化，變形最小化，硬度增加，零件密度提高，有利于減少殘余應(yīng)力和消除應(yīng)力。

2.1 機(jī)械加工

在復(fù)合制造加工中，增材制造與材料去除工藝(銑削或車(chē)削)相結(jié)合。增材制造提供了接近凈形的零件，而按順序?qū)娱g隔的加工提供了更好的表面光潔度和更好的幾何精度。第一個(gè)復(fù)合制造加工工藝是在90年代初期的焊接領(lǐng)域[14]。增材制造工藝與機(jī)械加工相結(jié)合的技術(shù)包括選擇性激光焊接、MIG焊接、激光沉積、激光熔覆、等離子沉積和薄板層壓。對(duì)于金屬?gòu)?fù)合制造來(lái)說(shuō)，主要有3種增材制造工藝類別：定向能量沉積、粉末床融合和薄片層壓。定向能量沉積是復(fù)合制造中最常運(yùn)用的增材制造工藝加工。事實(shí)上，大多數(shù)商用復(fù)合制造機(jī)器都使用定向能量沉積技術(shù)。粉末或金屬絲形式的材料被熱源熔化并沉積在基板上形成層。這些系統(tǒng)充分利用了高階多軸機(jī)床(五軸或七軸銑床)所提供的靈活性，是我國(guó)大連生產(chǎn)的五軸機(jī)床(見(jiàn)圖1)。這些高階軸系統(tǒng)可以在非平面表面沉積和加工材料，這是定向能量沉積系統(tǒng)被用于修復(fù)高價(jià)值關(guān)鍵部件(如渦輪葉片)的主要原因。替代定向能量沉積的是粉末床融合。在粉末機(jī)床融合中，使用激光將粉末層熔化在底板上。與高速噴涂粉末的定向能量沉積不同，粉末床融合系統(tǒng)中的粉末靜止在機(jī)床上等待燒結(jié)或熔化。在薄片層壓或超聲波焊接的情況下，金屬薄片通過(guò)振動(dòng)剪應(yīng)力在超聲波頻率下堆疊和粘結(jié)在一起。這是一個(gè)固態(tài)融合過(guò)程，通過(guò)在表面之間形成強(qiáng)大的冶金結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)凝聚。一旦一個(gè)或多個(gè)層被打印出來(lái)，下一步就是對(duì)沉積的層進(jìn)行研磨，以達(dá)到精確的尺寸。

圖1 大連三壘SVW80C-3D

2.2 激光輔助

選擇性激光熔化是一種分層增制造工藝，圖2所示為選擇性激光熔化工藝。所有增材制造工藝的基本原理是相同的，盡管它們使用不同類型的材料和結(jié)合機(jī)制。除了所有增材制造技術(shù)共同的優(yōu)點(diǎn)(幾乎無(wú)限的幾何自由度、靈活性、大規(guī)模定制等)，選擇性激光熔化的主要好處是它能夠加工各種材料，以幾乎全密度產(chǎn)生的散裝材料性能[15]。選擇性激光熔化遇到的主要問(wèn)題大多是分層制造固有的，如樓梯效應(yīng)影響表面粗糙度和零件精度(分辨率)或?qū)託堄鄳?yīng)力，由于在很短的時(shí)間內(nèi)完全熔化和凝固的高熱梯度加強(qiáng)。選擇性激光熔化零件的尺寸精度和表面質(zhì)量低于傳統(tǒng)的數(shù)控銑削加工技術(shù)，這是一個(gè)重要的限制。還有在加工時(shí)其他的一些限制，例如氣孔率以及微加工能力等。因此，為了克服這些限制，通過(guò)結(jié)合選擇性激光熔化和激光重熔或選擇性激光沖蝕的制造，消除了選擇性激光熔化過(guò)程的幾個(gè)限制。選擇性激光熔化和激光重熔結(jié)合提高了選擇性激光熔化零件的外表面質(zhì)量，同時(shí)提高了零件的內(nèi)密度(每層后重熔)或殼密度(外表面重熔)。選擇性激光熔化和選擇性激光沖蝕的結(jié)合也提高了選擇性激光熔化的微加工能力，可以生產(chǎn)出尺寸為50～100 μm范圍內(nèi)的內(nèi)外特征。

圖2 選擇性激光熔化工藝

2.3 表面處理

由張海鷗等研發(fā)的微鑄鍛銑復(fù)合技術(shù)是一種典型的金屬?gòu)?fù)合加工技術(shù)[16]。其中的復(fù)合沉積微滾壓工藝包含兩個(gè)程序：一是焊接沉積程序；二是微軋工藝。微鑄鍛銑加工過(guò)程如圖3所示。首先是熔化金屬絲，用電弧焊接金屬珠。從焊槍噴射惰性氣體，在高能電流下產(chǎn)生焊接電弧，保護(hù)焊接熔池。焊接電弧將基板和金屬絲熔化，逐層沉積金屬。熔池中熔化的金屬在凝固過(guò)程中的能量快速地通過(guò)所建部分向下傳導(dǎo)到金屬基體。熔化金屬的微觀結(jié)構(gòu)在這種冷卻條件下形成枝晶或柱狀晶粒。同時(shí)，微輥跟隨焊槍移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)將800 ℃以上的焊珠逐層擠壓，產(chǎn)生塑性變形。枝晶顆粒被分解成碎片。塑性變形和焊接能量將促進(jìn)微珠組織的再結(jié)晶，獲得細(xì)晶粒，減少殘余應(yīng)力。可以看出，傳統(tǒng)的加工工藝與微鑄鍛銑加工技術(shù)有著截然不同的效果。傳統(tǒng)加工工藝流程長(zhǎng)，工序繁瑣，需多臺(tái)大中型機(jī)械設(shè)備，且成本高昂，空氣污染物排放量較大；而微鑄鍛銑加工工藝流程短，僅需單一套機(jī)械設(shè)備，縮短了生產(chǎn)周期，效率高，原物料耗費(fèi)低，能量消耗小，穩(wěn)定性高，成形品質(zhì)好[17]。顯然，微鑄鍛銑加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)鍛件的加工技術(shù)。

圖3 微鑄鍛銑加工過(guò)程

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合制造是增材制造研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)新興領(lǐng)域，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來(lái)越需要更好地理解和探索復(fù)合制造所帶來(lái)的好處。本次研究通過(guò)復(fù)合制造工藝分類，從機(jī)械加工、激光輔助和表面處理等三個(gè)方面的應(yīng)用了解了復(fù)合制造工藝帶來(lái)的好處。復(fù)合制造工藝由于其高精度和高質(zhì)量的表面、生產(chǎn)力和自動(dòng)化，可被廣泛用于加工先進(jìn)材料和制造各種機(jī)器及工具零件、電子設(shè)備和微型機(jī)器零件。復(fù)合制造工藝的電氣、化學(xué)和機(jī)械特性的復(fù)雜相互作用仍未被完全理解，其潛在的制造能力也未被完全認(rèn)識(shí)。在復(fù)合制造加工過(guò)程中，不同形式的能量在同一沖擊區(qū)同時(shí)被使用，這使得這些過(guò)程更加復(fù)雜。這些過(guò)程中涉及的機(jī)制需要進(jìn)行深入的研究，以充分了解這些過(guò)程。

復(fù)合制造工藝正在不斷發(fā)展，從基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)到工業(yè)實(shí)施，最后到其技術(shù)成熟的水平，迫切需要進(jìn)一步發(fā)展，以滿足工業(yè)界生產(chǎn)由先進(jìn)材料制成的高度復(fù)雜的產(chǎn)品特征的要求；另一方面，以更高的生產(chǎn)力、成本效益和能源效率的方式制造零件。在不久的將來(lái)，復(fù)合制造工藝有望進(jìn)一步提高制造能力，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。