金屬材料的疊加制造技術(shù)及在模具制造中的應用

　　摘要：金屬材料的制造和加工，是現(xiàn)代工業(yè)制造領域的重要內(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。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用為研究內(nèi)容，針對金屬材料的疊加工藝進行多角度、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，提出行之有效的應用內(nèi)容和發(fā)展建議，僅供參考。

　　關鍵詞：疊加制造;金屬材料;工模具

　　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制造零件，從而達到零件圖紙要求的先進制造技術(shù)。近年來，金屬材料的疊加制造工藝受到行業(yè)的關注和推崇。一方面，疊加制造技術(shù)實現(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，進一步降低零件的制造成本。

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　　1金屬材料疊加制造技術(shù)的優(yōu)勢

　　1.1復雜幾何形狀的加工

　　金屬材料具備良好的延展性，能夠滿足制造業(yè)各領域的需要。同時，借助疊加制造技術(shù)，可以實現(xiàn)對應圖形和圖案的制造，能夠滿足多種工模具的制造要求，并且不會對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，而應用疊加制造技術(shù)，可以利用疊加的形式，實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，同時還能夠?qū)ξ醇庸�區(qū)域進行保留，能夠?qū)崿F(xiàn)逐層模式的生產(chǎn)和制造。眾所周知，對于復雜幾何形狀的工件在各領域都有廣泛的應用，疊加制造技術(shù)解決了制造中的難點，提升產(chǎn)品的適用性和實用價值。

　　1.2多種材料的復合加工

　　現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于金屬材料的復合加工能力提出了更高的要求。有些工模具或者機械零件，既要求表面有很高的耐磨性，同時又受到?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行化學熱處理的方法來解決。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。在工具制造領域，對應的要求更加苛刻，需要將多種特性的金屬材料復合于一體，借助于疊加制造技術(shù)也能達到此目的。

　　1.3成本和效率的精準控制

　　無論是現(xiàn)代工業(yè)領域還是傳統(tǒng)機械加工領域，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)是否可以進行大規(guī)模的實踐和應用，效率決定疊加制造技術(shù)是否能夠適應當前市場化的發(fā)展模式，能夠為制造企業(yè)提供巨大的經(jīng)濟價值以及發(fā)展?jié)摿�。成本和效率的精準控制，是疊加制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展和應用的重要原因，也是促進該技術(shù)持續(xù)升級和改進的主要因素。因此，對于相關產(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行疊加的制造技術(shù)。每一層金屬粉末按照計算機設定的截面形狀，在激光的熱作用下實現(xiàn)金屬熔化，冷卻后與前一凝固層形成冶金結(jié)合，最終獲得模型所設計的金屬零件。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)劑的低熔點粉末熔化而高熔點粉末無需熔化，所以所需的溫度較低。而選擇性激光熔化技術(shù)務必要在激光的作用使金屬粉末完全熔化，熔化溫度高，金屬材料在冷卻時會形成較大的殘余應力和變形，需要進行后續(xù)熱處理以消除殘余應力。

　　2.2電子束熔融技術(shù)

　　電子束熔融技術(shù)，是近年來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實現(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)境中進行加工。電子束熔融技術(shù)具有直接加工復雜幾何形狀的能力，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)，零件殘余應力小等特點。廣泛應用于航空飛行器及發(fā)動機多聯(lián)葉片、機匣、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局部區(qū)域，同時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)由計算機、高功率激光器、鋪粉器和工作臺等四部分組成。

　　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，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺點。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)控輪廓銑削進行結(jié)合的疊加制造技術(shù)。該技術(shù)通過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，即可制造出三維實體物件。美國Solidica公司在2000年便推出了超聲波固結(jié)技術(shù)的商品化設備，能夠?qū)⒔饘黉X、不銹鋼、鈦合金等金屬進行焊接，金屬薄片厚度可以0.1-0.15毫米，具有一定的先進性，受到行業(yè)各個企業(yè)的推崇。同時，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，制造出金屬基復合材料。另外，部分研究人員實現(xiàn)了將光纖與傳感器鑲嵌到薄片之間，實現(xiàn)了零件與信息傳遞系統(tǒng)的一體化。

　　2.53D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，由計算機將零件的3D模型分成一定厚度的切片，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(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、液體樹脂光固化成型等三種。

　　3D打印技術(shù)有許多優(yōu)點，如不需要機械加工或使用模具，就能直接從計算機圖形數(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，無需進行加工，因此大幅減少了材料浪費;能夠打印出傳統(tǒng)加工無法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)復雜的零件等。目前，3D打印已用于日常生活用品、醫(yī)學、機械零件及航空零件的打印等，隨著3D打印技術(shù)的深入研究和進一步發(fā)展，將來必將得到更為廣泛的應用。

　　3疊加制造技術(shù)在工模具制造領域的應用

　　3.1模具隨形冷卻水道加工

　　傳統(tǒng)模具的冷卻水道，大多是以簡單直孔形式進行冷卻水的循環(huán)。因此，當模具型腔結(jié)構(gòu)相對復雜時，對應的冷卻效果相對較差，而應用疊加制造技術(shù)，可以實現(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)冷卻水冷卻效應的提升，另一方面，能夠借助疊加制造生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。受當前金屬構(gòu)件生產(chǎn)加工技術(shù)的限制，隨形冷卻水道加工未能實現(xiàn)廣泛的應用和普及。隨著疊加技術(shù)應用和發(fā)展，隨性冷卻模具的加工將成為行業(yè)的發(fā)展趨勢[1]�，F(xiàn)代工藝領域普遍認為電子束熔融技術(shù)是改造冷卻水道的重要方法，能夠在水道內(nèi)部實現(xiàn)回轉(zhuǎn)形的設定。根 據(jù)該技術(shù)生產(chǎn)的水道與傳統(tǒng)水道進行對比，發(fā)現(xiàn)前者的加工零部件具有高精準的尺度與冷卻成效，滿足當前工業(yè)領域的實際需求。

　　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)周期較長的缺點，同時能夠?qū)崿F(xiàn)復雜模具的快速制造�；�于一次性的加工模式，選擇性激光融合技術(shù)，是較為常見的應用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種復雜形狀模具的快速制造，同時能夠滿足批量生產(chǎn)的要求和標準。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用到航天工業(yè)領域中。模具被譽為工藝之母，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)領域的突破和創(chuàng)新，提升模具制造的價值和意義，符合當前行業(yè)的發(fā)展趨勢，具有極為重要的科研價值。吉列、比亞迪等汽車制造企業(yè)，已經(jīng)開展模具成形加工制造的升級和優(yōu)化，提升企業(yè)的核心競爭力。

　　3.3工具材料改進

　　應用疊加制造技術(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，利用疊加制造技術(shù)，通過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，制造出復合材料或功能梯度材料。對工具材料的改進和升級，提升了工具的適應性和使用壽命，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)實意義。

　　3.4工具修復

　　利用疊加制造技術(shù)對工具修復進行修復，主要是針對部分結(jié)構(gòu)復雜的工具或用難以加工的材料制造的工具，因為這些工具磨損后修復十分困難，有些甚至無法修復而報廢。利用疊加制造技術(shù)可實現(xiàn)金屬粉末的添加修復而不是傳統(tǒng)的磨削修復，因此對于形狀結(jié)構(gòu)復雜或高硬度難以加工的工具均可修復。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現(xiàn)傳統(tǒng)工具的快速有效修復。不少工具由于長時間的使用，導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)�工具的表面進行二次修復，恢復工具的使用特性[3]。

　　4結(jié)論

　　綜上所述，通過對疊加制造技術(shù)的具體內(nèi)容的分析和論述，結(jié)合對應的應用領域進行分析和探索。金屬材料的使用，借助疊加制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的應用價值和發(fā)展?jié)摿�，符合時代的發(fā)展需求以及行業(yè)的發(fā)展方向，作為工業(yè)制造領域的基礎，金屬材料的應用和發(fā)展具有廣闊的前景。

　　參考文獻：

　　[1]李世爭，楊曉冬，解為然.微束電弧選區(qū)熔化金屬增材制造方法[J].電加工與模具，2020(03)：59-63.

　　[2]白龍，陳建軍，梁國祥.柴油機關鍵運動件制造疊加應力對表面完整性的影響研究[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，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].熱能動力工程，2019，34(04)：14.

　　作者：謝祖華XIEZu-hua

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