白書舟 王 耀 張小建

（1.上海西重所重型機械成套有限公司，上海 201900；2.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，杭州 310063）

目前，工業(yè)生產(chǎn)中對金屬鑄造零部件的主要生產(chǎn)流程為“毛坯鑄造-毛坯鍛造-機加工-熱處理”等[1]。由于部分鑄造金屬零部件尺寸較大，面積超過2 m×2 m，在毛坯鑄造過程中需要制作形狀復(fù)雜且尺寸巨大的砂型箱。此外。尺寸較大的金屬零部件鍛造需要使用噸位巨大的鍛壓機，而體積較大且形狀復(fù)雜的零部件在鍛壓過程中存在鍛壓不均勻、轉(zhuǎn)位不方便等諸多弊端[2-6]。為了鍛壓方便，需要先生產(chǎn)體積和加工余量較大的鑄造毛坯再進行機加工得到所需要的零部件，因此材料的利用率往往極低。此外，復(fù)雜金屬零部件在鑄造過程中，內(nèi)部容易出現(xiàn)氣泡、縮孔和熱應(yīng)力所導(dǎo)致的裂紋等缺陷[7]。鑄造完成后再鍛造加工需要重新加熱鑄造毛坯，需要消耗大量的電能。綜上所述，目前傳統(tǒng)金屬零部件生產(chǎn)方法存在效率低、材料利用率低、加工費時費力、能耗高以及材料均勻一致性較差導(dǎo)致易出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。

增材制造是一種根據(jù)數(shù)字文件制造三維實體零件的工藝，通常逐層添加材料來實現(xiàn)復(fù)雜三維實體零部件的生產(chǎn)。對于鑄造金屬零部件來講，目前的增材制造技術(shù)僅僅是解決鑄造毛坯環(huán)節(jié)，增材制造出來的金屬零部件性能還達不到鍛件性能。采用目前增材制造技術(shù)加工關(guān)鍵零部件，后續(xù)依然需要進行鍛造處理。因此，目前增材制造技術(shù)從效率和性能方面無法滿足鑄造金屬零部件的高效高質(zhì)制造。

1 裝置組成

這是一種新式金屬零部件增材制造裝置。該裝置外殼內(nèi)設(shè)有三軸運動平臺，三軸運動平臺連接工件承載機構(gòu)，工件承載機構(gòu)上方設(shè)有運輸管和鍛壓機構(gòu)，運輸管與熔融金屬供給機構(gòu)連接[8-11]。熔融金屬供給機構(gòu)內(nèi)的熔融金屬能夠通過管路流到工件承載機構(gòu)上。鍛壓機構(gòu)用于對工件承載機構(gòu)的熔融金屬進行鍛壓。熔融金屬供給機構(gòu)采用金屬熔煉電爐，金屬熔煉電爐設(shè)置在外殼上方且與運輸管一端連接。運輸管的另一端伸入外殼內(nèi)部。圖1為該裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為冷卻板內(nèi)流道分布示意圖。

如圖1所示，外殼4內(nèi)部固定有三軸運動平臺1，三軸運動平臺上安裝有工件承載機構(gòu)，工件承載機構(gòu)包括冷卻板2。冷卻板放置在三軸運動平臺上，冷卻板的上表面固定有零部件基板3。零部件基板上方設(shè)置有與熔融金屬供給機構(gòu)連接的管路和鍛壓機構(gòu)[12]。三軸運動平臺采用三軸聯(lián)動機構(gòu)，三軸運動平臺的尺寸為5 m×10 m，運動位移可達5 m×10 m×2 m（X×Y×Z），運動平臺可以承受20 t載荷。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，冷卻板內(nèi)部有流道，流道的一端能夠通過管路與外部冷卻源連接。管路上安裝有泵，冷卻液通過冷卻板流道對零部件基板進行冷卻。冷卻液通過泵從流道的入口端14流入流道，經(jīng)過冷卻板內(nèi)部流道，由流道的出口端13流出。

圖2 冷卻板內(nèi)流道分布示意圖

零部件基板3固定在冷卻板上表面，外殼4用于將外部空氣隔絕。外殼的頂部殼壁上設(shè)置有保護氣體入口管，外殼的一側(cè)側(cè)部殼壁的底部設(shè)有保護氣體出口管。保護氣體入口管能夠連接保護氣體源，并安裝有第二控制閥5，保護氣體出口管上安裝有第三控制閥12。打開第二控制閥，保護氣體能夠由外部進入殼體內(nèi)部。打開第三控制閥，外殼內(nèi)部的保護氣體能夠通過保護氣體出口管從外殼流出至外部。保護氣體采用氮氣或者氬氣。

熔融金屬供給機構(gòu)采用金屬熔煉電爐6，金屬熔煉電爐吊裝在起吊設(shè)備上。金屬熔煉電爐可以一次性熔煉10 t金屬，滿足金屬零部件的增材制造。金屬熔煉電爐體積和質(zhì)量較大，設(shè)置在外殼外部的正上方，便于裝料和清理[13]。金屬熔煉電爐吊裝在廠房起吊機上，通過起吊機吊運金屬熔煉電爐。金屬熔煉電爐與運輸管7的一端連接，運輸管的另一端伸入外殼內(nèi)部，并位于零部件基板的正上方。運輸管上安裝有第一控制閥8，用于控制運輸管的導(dǎo)通和關(guān)閉。運輸管和第一控制閥均由耐高溫材料制作而成，如制作坩堝材料的石英砂。運輸管和第一控制閥為耗材零件。如果由于熔融金屬凝固而導(dǎo)致運輸管堵塞，可以直接拆掉，更換新的金屬管。

金屬熔煉電爐能夠直接將金屬熔化呈金屬液體，并通過運輸管鋪設(shè)在工件承載機構(gòu)上。相比傳統(tǒng)的金屬增材制造方法，該方法效率更高。

鍛壓機構(gòu)9采用現(xiàn)有的鍛壓機技術(shù)。鍛壓機通過龍門架固定在三軸運動平臺上方，采用液壓動力源的鍛壓機。由于每次只需要對一層金屬進行鍛壓處理，因此所需噸位較小，可以選擇1～5噸位的鍛壓機[14]。

為了保證外殼內(nèi)部溫度，在外殼的4個側(cè)部殼壁內(nèi)側(cè)面固定冷卻管總成10。冷卻管總成由銅管盤繞而成，均勻分布在外殼的側(cè)部殼壁內(nèi)側(cè)面。入口端與冷卻源連接，冷卻液通入冷卻管總成，對外殼進行冷卻。

三軸運動平臺、第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥、鍛壓機均與控制系統(tǒng)11連接，由控制系統(tǒng)控制其工作。

2 工作流程及示例說明

2.1 工作流程

圖3為工作流程圖。

圖3 工作流程圖

新式增材制造裝置的工作流程包括以下步驟[15-19]：

（1）針對所要制造的金屬零部件，通過三維軟件構(gòu)造零部件的三維實體模型；

（2）將構(gòu)建的三維實體模型進行分層處理，根據(jù)分層數(shù)據(jù)規(guī)劃三軸運動平臺運動軌跡；

（3）第二控制閥和第三控制閥向外殼內(nèi)通入保護氣體，排出密封外殼內(nèi)部空氣，然后關(guān)閉第二控制閥和第三控制閥，打開泵，在冷卻管和流道內(nèi)通入冷卻液，傳輸出外殼內(nèi)部的熱量；

（4）在數(shù)控系統(tǒng)中輸入合適的加工工藝參數(shù)，如三軸運動平臺的運動速度、熔融金屬溫度及流速等；

（5）打開第一控制閥，三軸運動平臺按照設(shè)定的軌跡運動，使金屬熔煉電爐內(nèi)部的熔融金屬通過運輸管流在零部件基板上，并按照設(shè)定的形狀鋪設(shè)在零部件基板上；

（6）熔融金屬流在基板上并且凝固后，鍛壓機對剛剛凝固的金屬進行鍛壓；在三軸運動平臺的作用下，鍛壓機對鋪設(shè)的金屬的所有部位均進行鍛壓，完成工件第一層的增材制造；

（7）一層結(jié)束后關(guān)閉第一控制閥，三軸運動平臺帶動零部件基板下降一個層高，準(zhǔn)備打印下一層金屬；

（8）重復(fù)步驟5～步驟7，直至三維零件增材制造結(jié)束。

2.2 示例說明

以支座大型鋼制法蘭制造為例進行說明。大型鋼制法蘭直徑為5 m，質(zhì)量約為5 t。先通過廠房吊車將金屬熔煉電爐移動至地面，將5.5 t鋼材放置在金屬熔煉電爐內(nèi)，再通過吊車將金屬熔煉電爐放置在運輸管上方進行對接。打開金屬熔煉電爐，將鋼材熔化。運輸管直徑為20 mm，增材制造分層厚度為10 mm，鍛壓力選擇3 t。熔融金屬通過運輸管直接鋪設(shè)在零部件基板上，冷卻1 min后，通過鍛壓機進行鍛壓處理，進而消除熔融凝固過程中的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，提高材料的力學(xué)性能，使其達到鍛件的力學(xué)性能。該裝置將傳統(tǒng)的鑄造和鍛造合二為一，且每次只對一層厚度金屬進行鍛壓處理。采用相同的方法自動完成法蘭的多層增材制造，省時省力，工作效率高。

3 關(guān)鍵技術(shù)

新式金屬零部件增材制造裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面。

（1）新式裝置采用三軸運動平臺和熔融金屬供給機構(gòu)，增材制造金屬零部件，避免了傳統(tǒng)金屬零部件需要提前制造輔助的鑄造砂型，能夠?qū)θ魏螐?fù)雜形狀的金屬零部件進行增材制造加工，避免了傳統(tǒng)采用砂型鑄造出現(xiàn)的材料均勻一致性差問題，能耗較低。圖4為三軸運動平臺。熔融供給機構(gòu)在平臺上方固定，三軸運動平臺帶動零部件基板實現(xiàn)工件打印。

圖4 三軸運動平臺示意圖

（2）采用鍛壓機構(gòu)實現(xiàn)金屬增材成型。相比于傳統(tǒng)的金屬零部件鑄造-鍛造工序，直接將所需金屬零部件進行增材和鍛壓，無需后續(xù)的機加工，極大地提高了材料利用率。鍛壓機構(gòu)如圖5所示。采用簡單的下壓式鍛壓機，壓力不需要太大，只需要把熔融的金屬鍛壓成型即可。

圖5 鍛壓機構(gòu)示意圖

（3）與傳統(tǒng)的增材制造方法相比，將增材和鍛造合二為一，解決了傳統(tǒng)增材制造產(chǎn)品性能低無法達到鍛件性能的問題。鍛壓后的產(chǎn)品性能需要進行材料試驗，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整鍛壓工藝，以達到所需產(chǎn)品的性能結(jié)果。

（4）熔融金屬供給機構(gòu)采用金屬熔煉電爐，能夠直接將金屬熔化為金屬液體，并通過運輸管鋪設(shè)在工件承載機構(gòu)上。傳統(tǒng)的金屬部增材制造方法是將金屬熔融后制備成所需的粉末，再二次熔融后打印工件。與傳統(tǒng)的金屬增材制造方法相比，新式增材制造方法能耗低、效率高。

（5）工藝流程中對工件進行逐層鍛壓成型，只需要較小的鍛壓力就能夠達到大型鍛壓機的功能能力，因此降低了企業(yè)設(shè)備成本。

需要注意，新式金屬零部件增材制造思路與傳統(tǒng)金屬3D打印不同。傳統(tǒng)金屬3D打印為激光熔融金屬粉末，即金屬原材料二次熔融后慢速鋪設(shè)成型。新式增材制造裝置雖然只需要對原材料一次熔融即可，但對鋪設(shè)速度即零部件成型效率有很高要求。鋪設(shè)時間越慢，金屬熔煉電爐的能耗越大，其相對的能耗優(yōu)勢越小[20]。所以，該裝置的效率越快越好。熔融金屬運輸鋪設(shè)機構(gòu)和現(xiàn)有鍛壓機構(gòu)的效率都可以滿足高速成型，問題關(guān)鍵在于熔融金屬通過鋪設(shè)機構(gòu)按軌跡鋪設(shè)后如何急速冷卻。目前，熔融金屬冷卻采用保護氣體加冷卻管的方式。這種冷卻方式下，金屬冷卻效率低于其他機構(gòu)工作效率。所以，實現(xiàn)新式金屬零部件增材制造裝置，提升熔融金屬急速冷卻效率是先決條件。

4 結(jié)語

以上所述新式金屬零部件增材制造裝置及工作方法，提供了一種新的鑄造金屬零部件制造思路。采用增材制作的方法對鑄造金屬零部件進行制造，避免了傳統(tǒng)鑄造金屬零部件需要提前制造輔助的鑄造砂型，能夠?qū)θ魏螐?fù)雜形狀的金屬零部件進行增材制造，提高了材料利用率。與傳統(tǒng)的制造方法相比，它的材料均勻一致性較好，可為將來類似的產(chǎn)品設(shè)計制造提供參考。