微铸锻铣复合超短流程制造

第1章绪论 短流程化生产一直是工业界追求的综合目标之一。**次工业革命以来，高性能锻件的传统制造一直需要铸造、锻造、焊接、热处理、铣削等多道烦琐工序完成，每道工序又包含若干小工序，需要多套设备、大量熟练技工合作制造完成，其特征是各工序分离，生产周期长，制造流程长，且必须使用铸锻机等重型装备。工业化大规模生产以后，短流程制造成为研究热点，生产效率得到逐步提高，高性能锻件的生产周期相对缩短。常规机械产品在20世纪40年代之前工艺流程比较长，随着技术的进步，人们对短流程化生产机械产品的探索一直没有停止，50年代到80年代工艺流程逐步缩短，但基本工艺和技术路线没有发生根本性改变。 金属增材制造(additive manufacturing， AM)技术出现后，短流程制造呈现新的发展空间。增材制造技术是提升制造业创新能力的战略重点之一，在国内外发展非常迅速。《中国制造2025》和德国的《工业4.0》等都把增材制造技术作为重要共性关键发展技术。金属复合增材制造技术是在通用增材制造技术的基础上，通过金属逐层熔融堆积、原位辊轧或同位铣削复合，实现金属构件无模成形的数字化制造技术，是金属制造领域继数控技术之后又一次重大变革(卢秉恒和李涤尘， 2013)。 1.1金属零件制造技术发展历程 人类社会进入新石器时代以后，金属零件制造技术也逐步登上了历史舞台。*先出现的是金属冶金和铸造技术。考古发现，我国在6000多年前已出现黄铜冶炼技术，在4000多年前已有简单的青铜工具，在3000多年前已用陨铁制造兵器，在2500多年前的春秋时期已掌握生铁冶炼技术，比欧洲要早1800多年。18世纪以后，随着蒸汽革命的兴起，钢铁产业和金属零件制造成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪以后，随着现代平炉和转炉炼钢技术的出现，人类真正进入钢铁时代，金属锻造技术、焊接技术、切削加工技术、热处理技术等应运而生。与此同时，铜、铅、锌、铝、镁、钛等金属零件相继问世并得到应用。时至今日，金属零件在工业生产和社会生活中占据很重要的地位，从方方面面影响人类社会的发展进程。 金属加工是指人类对由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料进行加工的生产活动。高性能结构复杂金属零件的传统制造一般包括如下工艺。 铸造：指将熔融的金属液浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后获得预定形状、尺寸和性能铸件的工艺过程，包括砂型铸造、熔模铸造、实型铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、压力铸造、连续铸造、离心铸造等方法。 塑性成形：指使金属在外力(通常是压力)作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸、组织和性能制品的一种金属加工工艺，包括锻造、轧制、挤压、拉拔、弯曲、剪切等方法。金属材料在外力作用下会产生应力和应变，当施加的力所产生的应力超过材料的弹性极限达到材料的塑性流动极限后再除去所施加的力，除占比很小的弹性变形部分消失外，会保留大部分不可逆的永久变形，即塑性变形，使物体的形状尺寸发生改变，同时材料的内部组织和性能也发生变化。 焊接：指被焊工件通过加热或加压的方法，采用或不采用填充金属，使被焊工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程，包括熔化焊、压力焊、钎焊等。 热处理：指将金属或合金工件放在一定的介质中加热到一定的温度，并在此温度中保持一定时间后又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的微观组织结构来控制其性能的一种工艺。热处理一般不改变工件形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的微观组织或改变工件表面的化学成分来改善工件的力学性能。 切削加工：指从工件上去除多余材料从而使形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件加工过程，包括车、铣、刨、磨、钻等方法。 传统金属加工制造方法应用广泛，优点突出，但对于生产大型复杂高性能金属零件尚存在明显的不足： (1)制造流程长，生产周期长。采用传统加工工艺制造大型复杂高性能金属零件需要铸造、锻造、焊接、热处理、铣削等多工艺多工序才能完成，工序多且分散，需要多台大型铸锻设备。 (2)成品率不高。传统金属加工制造方法生产大型复杂高性能锻件的一次成功率一般难以超过50%。 (3)成本高，污染重。传统金属加工制造方法生产大型复杂高性能锻件一般依赖昂贵的超大锻机及模具，材耗、能耗高，污染重。 (4)产品适应性差。传统金属加工制造方法难以制造复杂/梯度材料零件，并且受制于铸锻设备的规格，产品尺寸受限。 1.2金属增材制造技术发展历程 1.2.1国外金属增材制造技术发展历程 1960年，法国Franois Willème申请了多照相机实体雕塑(photosculpture)的专利。日本东京大学生产技术研究所的中川威雄(Takeo Nakagawa)教授于1979年发明了叠层模型造型法，他使用该技术制作出实用的工具，如落料模、注塑模和成形模。日本名古屋市工业研究所的久田秀夫(Hideo Kodama)发明了利用大桶光敏聚合物成形的三维模型增材制造方法，1980年申请了与该技术有关的**项专利。1986年，Charles W. Hull成立了世界上**家3D打印设备公司——3D Systems公司，他研发了现在通用的3D数模STL数据文件格式。3D Systems公司在成立两年后推出了世界上**台基于立体光刻(stereolithography， SL)技术的工业级打印机SLA-250。1988年，Scott Crump发明了另一种更廉价的3D打印技术——熔融沉积成形(fused deposition modeling， FDM)技术，并于1989年成立了Stratasys公司。 1989年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard发明了激光选区烧结(selective laser sintering， SLS)工艺。SLS使用的材料很广泛，理论上几乎所有的粉末材料都可用于打印，如陶瓷、蜡、尼龙，甚至是金属。 1991年，Helisys公司推出**台分层实体制造(laminated object manufacturing， LOM)系统。 1992年，Stratasys公司推出了**台基于FDM技术的工业级打印机。同年，DTM公司推出首台SLS打印机。 1998年，Optomec公司成功开发出激光近净成形(laser engineered net shaping， LENS)烧结技术。 2003年，EOS公司开发了直接金属激光烧结(direct metal laser-sintering， DMLS)技术。 2005年，Z Corporation公司推出世界上**台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510，让3D打印从此变得绚丽多彩。 2007年，3D打印服务创业公司Shapeways正式成立，该公司提供给用户一个个性化产品定制的网络平台。 2008年，Objet Geometries公司推出其革命性的快速成形(rapid prototyping， RP)系统Connex500，它是有史以来**台能够同时使用几种不同打印原料的3D打印机。 2013年5月，美国分布式防御组织发布全世界**款完全通过3D打印制造出的塑料手枪(除了撞针采用金属)，并成功试射。同年11月，美国Solid Concepts公司制造了全球**款三维全金属手枪，由33个17-4不锈钢部件和625个铬镍铁合金部件制成，并成功发射50发子弹。 2013年8月，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)测试3D打印的火箭部件，可承受2万磅力①推力，并可耐6000℃的高温。 2014年7月，美国南达科他州一家名为Flexible Robotic Environments(FRE)的公司公布了其开发的全功能制造设备VDK6000，兼具金属增材制造、车削及3D扫描功能。 2015年2月，罗罗公司宣布计划试飞大尺寸3D打印引擎部件，采用钛合金前承重壳，包括飞机机翼，承重部分直径达1.5m。 2017年1月，美国国防部公开展示3D打印无人机，从3架F/A-18大黄蜂战机吊舱中释放100多架305mm的无人机。美国国家航空航天局宣布已经试射了一台由3D打印制造的火箭发动机。 2018年9月，法国空中客车(Airbus)公司采用增材制造技术对A350机舱门零件进行生产。 2019年1月，Spirit Aerosystems公司为波音787客机开发了增材制造的零件，该零件由Norsk Titaniun公司打印。 2020年11月，Relativity Space公司成功打印了高为3.3m的铝合金火箭燃料箱，该零件采用多台机器人协同完成。 至2021年8月，通用电气公司已经为LEAP(前沿航空动力)航空发动机提供了超过10万件3D打印燃油喷嘴，该喷嘴比传统制造减重25%。 1.2.2国内金属增材制造技术发展历程 随着世界上**家3D打印设备公司3D Systems的诞生，一批正在美国游学访问的中国学者率先被吸引，回国后立刻启动相关研发。清华大学颜永年教授便在其中，他被认为是中国增材制造技术的先驱人物之一，1988年建立清华大学激光快速成形中心，1994年成立国内**家金属增材制造公司——北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司，开展了由快速原型复制金属模具的研究工作。 西安交通大学卢秉恒教授被视为国内金属增材制造技术的另一位先驱人物，他1992年赴美做高级访问学者，发现金属增材制造技术在汽车制造业中的应用，回国后随即转向这一领域研究，1994年成立先进制造技术研究所。从软件开发起步，进而试制紫外激光器，开发材料，形成一台具有基本功能的样机。 华中科技大学在该领域的起步缘于王运赣教授1990年在美国参观访问时接触到了刚问世不久的快速成形机。1991年，在时任校长、著名机械制造专家黄树槐的主持下，华中科技大学成立快速制造中心，研发基于纸材料的分层实体制造技术和快速成形设备。1994年，快速制造中心研制出国内**台基于薄纸材的LOM样机。 2000年前后，北京航空航天大学、清华大学、华中科技大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院、北京工业大学等，相继开展了这方面的研究工作，总体思路是要同步实现金属零件的自由快速精确成形和高强度控制目标。 从2001年开始，华中科技大学张海鸥教授团队在多个国家自然科学基金项目和总装预研基金项目的连续支持下，在国内率先提出并研究开发了基于等离子弧/电弧增材成形、同步锻压和同工位铣削复合的智能微铸锻铣技术。该技术变革了国内外铸锻分离的传统制造模式，通过“铸锻复合、边铸边锻”得到超细等轴晶锻件，颠覆了国内外认为3D打印不能直接制造锻件的传统认知，开辟了国际领先的短流程、单机轻载、省材节能、高效低成本的绿色制造新模式。采用自主研发的智能铸锻铣复合制造设备，研制了现有技术难以得到的无织构12级均匀超细等轴晶钛合金、高温合金、超高强钢等典型航空部件，疲劳性能全面超过传统锻件。该技术为我国独*的制造技术，已获中国和美国发明专利授权，先后获得第45届日内瓦国际发明展金奖和第19届英国发明展双金奖。 北京航空航天大学王华明教授团队瞄准大型飞机、航空发动机等国家重大战略需求，在国际上首次全面突破相关关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，使得中国成为世界上**个掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家。 2012年10月，中国3D打印技术产业联盟在北京成立，北京航空航天大学王华明教授被推举为首任理事长，清华大学颜永年