金屬材料的疊加制造技術(shù)及在模具制造中的應(yīng)用

　　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。

　　關(guān)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(dá)到零件圖紙要求的先進(jìn)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(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。

　　金屬材料評(píng)職知識(shí)：金屬材料領(lǐng)域SCI期刊推薦

　　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�區(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(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(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。

　　2.53D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(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(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]�，F(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�；�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(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，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(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)�工具的表面進(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�符合時(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)：

　　[1]李世爭(zhēng)，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(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.

　　作者：謝祖華XIEZu-hua

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