盧楚文，牛犇，王凱，易江龍，王桂茂，梁航，董小虹

1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東佛山 5282251

2.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510650

3.廣東世創(chuàng)金屬科技股份有限公司 廣東佛山 5282251

1 序言

模具在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著至關(guān)重要的角色，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、軍工和能源等領(lǐng)域，一個(gè)國(guó)家的模具制造水平往往反映了其制造業(yè)的實(shí)力[1]。近年來，中國(guó)的模具產(chǎn)業(yè)迅速崛起，市場(chǎng)份額已超過1200億元，年平均增速達(dá)到了20%[2]。作為大批量生產(chǎn)必備的工藝裝備，模具對(duì)于行業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵作用，尤其是近年來對(duì)大型、精密、復(fù)雜和服役壽命高的高強(qiáng)度模具的需求急劇增加。

模具在工作過程中，大部分模具會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)受到周期性的機(jī)械和熱載荷作用，從而導(dǎo)致服役壽命縮短[3]。以熱作模具為例，在服役過程中模具不僅要承受高溫和大載荷，同時(shí)還受到交替急冷急熱的作用，因此相對(duì)于其他冷作模具和塑料模具更容易發(fā)生失效[4]。主要的失效形式包括型腔熱疲勞、機(jī)械磨損、塑性變形和型腔斷裂等[5]。服役壽命是限制模具零部件快速持續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，然而模具的失效是不可避免的[6]。與制造全新模具相比，在現(xiàn)有模具基礎(chǔ)上將電弧增材制造技術(shù)引入熱作模具的修復(fù)工程中，可以顯著提高材料的利用率，并縮短生產(chǎn)周期[7]。特別是對(duì)于一些高強(qiáng)度特殊性能合金模具，其材料成本高、制造工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)附加值高，若通過電弧增材制造技術(shù)進(jìn)行修復(fù)再制造，則可以確保其品質(zhì)不亞于新品，甚至更優(yōu)秀，從而延長(zhǎng)模具的使用壽命，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

近年來，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)展開了多項(xiàng)基于電弧增材制造技術(shù)的熱作模具修復(fù)研究。然而，這些研究成果主要集中在單一或非閉環(huán)的技術(shù)環(huán)節(jié)及修復(fù)方法上，研究工作相對(duì)分散，迫切需要對(duì)這些成果進(jìn)行整合并深化研究，以便為未來的研究提供參考和指導(dǎo)。因此，本文主要梳理了針對(duì)熱作模具修復(fù)的電弧增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了在修復(fù)過程中的成形參數(shù)預(yù)測(cè)、模型分層切片算法以及沉積路徑規(guī)劃方法。本文還總結(jié)了電弧增材制造技術(shù)在模具修復(fù)應(yīng)用中的實(shí)際情況和面臨的主要挑戰(zhàn)，并對(duì)未來的研究趨勢(shì)和方向進(jìn)行了展望。

2 模具修復(fù)研究現(xiàn)狀

2.1 模具修復(fù)方式

根據(jù)待修復(fù)模具的類型、尺寸、失效形式以及性能要求等特點(diǎn)，選擇合理的模具修復(fù)方式才能夠保證模具修復(fù)的性能和效果，以下是目前行業(yè)中較為常用的幾類模具修復(fù)方式。

（1）切削減材修復(fù) 切削減材修復(fù)技術(shù)通常用于那些僅發(fā)生微小磨損或裂紋的待修復(fù)模具，修復(fù)原理為將待修復(fù)模具進(jìn)行退火處理，然后在失效區(qū)域表面整體切除30～40mm后再進(jìn)行機(jī)械加工[8]。然而，這種方法在修復(fù)過程中會(huì)導(dǎo)致大量模具材料的損耗。在經(jīng)歷多次這樣的修復(fù)后，模具整體可能會(huì)出現(xiàn)無法滿足工作要求的缺陷，最終只能被報(bào)廢處理。因此，這種修復(fù)方式主要適用于輕微損壞且急需修復(fù)的模具，而不適合大規(guī)模應(yīng)用。

（2）熱噴涂修復(fù) 熱噴涂修復(fù)技術(shù)主要應(yīng)用于因?yàn)楸砻婺p所出現(xiàn)的模具失效修復(fù)，如圖1所示。該技術(shù)是利用等離子或電弧等熱源將粉狀或絲狀金屬材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助焰流本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理過的失效模具表面，使液態(tài)金屬凝固沉積而形成表面涂層[9，10]。熱噴涂修復(fù)技術(shù)突破了形狀和合金材料導(dǎo)電性的限制，具有高效的工藝沉積率。這種技術(shù)能夠顯著提高模具工作面的顯微硬度和耐磨性，從而延長(zhǎng)修復(fù)模具的服役壽命。然而，熱噴涂修復(fù)技術(shù)在應(yīng)用場(chǎng)景上存在一定的局限性。特別是在修復(fù)薄壁或小型模具時(shí)，容易出現(xiàn)涂層的熱變形問題。因此，這項(xiàng)技術(shù)主要適用于對(duì)淺表?yè)p傷且內(nèi)腔形態(tài)簡(jiǎn)單的大型模具進(jìn)行修復(fù)，其適用范圍相對(duì)有限。

圖1 自動(dòng)化噴涂機(jī)器人噴涂發(fā)動(dòng)機(jī)缸體[10]

（3）激光增材修復(fù) 激光增材修復(fù)技術(shù)是基于激光粉末沉積技術(shù)發(fā)展而來的。該技術(shù)使用激光束作為熱源，快速熔化粉末狀金屬材料，并將其覆蓋在失效模具的待修復(fù)區(qū)域。當(dāng)熔融金屬凝固后，便在待修復(fù)區(qū)域形成一層具有極低稀釋率的新金屬層[11，12]。該修復(fù)技術(shù)具有多個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，包括高能量密度、低熱輸入、高效精準(zhǔn)、快速響應(yīng)和優(yōu)質(zhì)成形效果。然而，其也存在一些缺點(diǎn)，如設(shè)備成本高和能量輸入不均勻等。因此，目前這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)精度要求高、性能標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格或尺寸較小的模具修復(fù)，如圖2所示。

圖2 激光增材修復(fù)示意[12]

（4）電弧增材修復(fù) 電弧增材修復(fù)技術(shù)是基于電弧堆焊技術(shù)發(fā)展而來的，也是最早應(yīng)用于模具修復(fù)工程的熱增材修復(fù)技術(shù)，而且應(yīng)用范圍也極廣[13]。該修復(fù)技術(shù)的原理是通過電弧設(shè)備根據(jù)待修復(fù)模具的需求，將金屬絲材用電弧熔化后進(jìn)行逐層堆積、疊加成形，實(shí)現(xiàn)對(duì)待修復(fù)模具的修復(fù)填充[14]，如圖3所示。與激光增材修復(fù)技術(shù)相比，電弧增材修復(fù)技術(shù)不僅同樣具備高自動(dòng)化程度，而且具有設(shè)備成本低、修復(fù)效率高、操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)及節(jié)省焊接材料等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電弧增材修復(fù)技術(shù)存在熱輸入較高、熱影響區(qū)較大、成形質(zhì)量難以控制等不足，所以該修復(fù)技術(shù)不適宜用于精密要求高的模具修復(fù)。

圖3 電弧增材修復(fù)示意[14]

結(jié)合上述常用模具修復(fù)方式的特點(diǎn)分析，對(duì)于高溫、重載的中大型模具修復(fù)需求，電弧增材修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為突出。因此，對(duì)電弧增材修復(fù)技術(shù)進(jìn)行合理研究及推廣對(duì)于模具修復(fù)領(lǐng)域意義重大[15]。

2.2 電弧增材制造修復(fù)方式

模具修復(fù)的常用修復(fù)技術(shù)有冷加工方式和熱加工方式，其中熱加工方式以電弧增材制造為主要修復(fù)技術(shù)之一。目前，用于模具修復(fù)的電弧增材制造技術(shù)方式有人工電弧堆焊修復(fù)、多軸機(jī)床電弧增材修復(fù)及多軸機(jī)器人電弧增材修復(fù)[16]。

（1）人工電弧堆焊修復(fù) 該修復(fù)方式以人工技術(shù)為主導(dǎo)，不僅受高溫惡劣的工作環(huán)境限制，還對(duì)修復(fù)技術(shù)的要求較高，因此人力成本偏高。同時(shí)，由于其主要修復(fù)形式為將待修復(fù)模具的腔內(nèi)以電弧堆焊的方式填充，往往會(huì)導(dǎo)致所使用的堆焊材料廢棄率較高，因此人工修復(fù)技術(shù)整體成本偏高，而且無法保證修復(fù)后的模具壽命效果及修復(fù)工程效率[17，18]。盡管人工修復(fù)技術(shù)存在諸多缺點(diǎn)，如高成本、低材料利用率、低修復(fù)效率及無法保證修復(fù)效果等，但由于國(guó)外自動(dòng)化修復(fù)技術(shù)的技術(shù)壁壘高且引進(jìn)成本昂貴，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)仍然采用這種人工修復(fù)方案。因此，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于成本更低、效率更高、材料利用率更優(yōu)、修復(fù)性能更佳的自動(dòng)化模具修復(fù)技術(shù)有著迫切需求。自動(dòng)化和智能化模具修復(fù)技術(shù)不僅能夠顯著提高修復(fù)后模具的使用壽命，還可以減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)符合綠色環(huán)保和節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）多軸機(jī)床電弧增材修復(fù) 多軸機(jī)床電弧增材修復(fù)技術(shù)是一種基于多軸數(shù)控機(jī)床電弧增材制造技術(shù)的修復(fù)方式，在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制下，可以在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)多個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)，一般常用的是控制X、Y、Z軸聯(lián)動(dòng)的三軸機(jī)床，通過對(duì)坐標(biāo)軸不同移動(dòng)方向和速度的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電弧增材制造。河南科技大學(xué)韓建等[19]提出了利用可編程控制器控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和電焊機(jī)，以實(shí)現(xiàn)三軸機(jī)床進(jìn)行電弧增材制造的自動(dòng)化控制；PRADO-CERQUEIRA等[20]提出通過集成冷金屬過渡焊（CMT）焊接設(shè)備和三軸數(shù)控銑床，開發(fā)一種低成本的金屬電弧增材制造系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是將Fronius的CMT焊接設(shè)備配置于三軸機(jī)床Optimus上，實(shí)現(xiàn)以機(jī)床控制CMT電弧增材制造；中國(guó)石油大學(xué)的馬馳等[21]提出了基于PMAC Clipper、S7 -200Smart PLC、交換機(jī)及計(jì)算機(jī)的電氣控制，將老舊數(shù)控銑床改造為電弧增材制造機(jī)床（見圖4），目的是能夠?qū)崿F(xiàn)在增材過程中焊接電流與電弧電壓的同步采集，提高機(jī)床電弧增材制造的成形效果。

圖4 機(jī)床電弧增材設(shè)備構(gòu)成[21]

多軸機(jī)床電弧增材制造修復(fù)方式相對(duì)于人工電弧堆焊修復(fù)方式，在自動(dòng)化和智能化上有了質(zhì)的提升，不僅大大減輕了人工作業(yè)強(qiáng)度，還大幅度減少了修復(fù)工程的成本，提高了模具電弧增材制造修復(fù)的效率和質(zhì)量[22]，但是其存在運(yùn)動(dòng)路徑單一和可調(diào)整空間局限等缺點(diǎn)，導(dǎo)致該方式在應(yīng)對(duì)具有復(fù)雜腔體的模具時(shí)會(huì)受到極大限制。因此，如何解決焊槍受限問題、保證復(fù)雜模具修復(fù)效果，是該修復(fù)方式的一個(gè)極為重要的難點(diǎn)。

（3）多軸機(jī)器人電弧增材修復(fù) 多軸機(jī)器人電弧增材修復(fù)技術(shù)是利用多軸機(jī)器人與電弧增材制造技術(shù)相結(jié)合，由多軸工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)電弧增材制造焊槍在模具的待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行逐層堆積、累加成形，從而達(dá)到修復(fù)失效模具的形貌、尺寸和性能。相比于上述的人工電弧堆焊修復(fù)和多軸機(jī)床電弧增材修復(fù)方式，多軸機(jī)器人電弧增材修復(fù)技術(shù)具有高自由度、高靈活度。高控制精度的多軸工業(yè)機(jī)器人，能夠使電弧增材制造修復(fù)技術(shù)更具智能化、數(shù)字化，且其修復(fù)效率和性能效果顯著提高，尤其是面對(duì)復(fù)雜且不規(guī)則的失效模具擁有較大的優(yōu)勢(shì)[23]。武漢理工大學(xué)的吳強(qiáng)等[24]利用該校開發(fā)的一套機(jī)器人電弧增材修復(fù)系統(tǒng)對(duì)熱鍛模具進(jìn)行修復(fù)，可節(jié)省焊接材料30%～40%、節(jié)約工作時(shí)間50%以上、提高修復(fù)效率20%以上，以及降低模具修復(fù)成本30%以上。劉德建等[25]提出了采用弧焊機(jī)器人結(jié)合增材制造技術(shù)修復(fù)超大型模具的方法（見圖5），通過有限元對(duì)模具受力狀態(tài)分析，設(shè)計(jì)了具有梯度結(jié)構(gòu)的焊接修復(fù)層，能夠有效解決超大型模具的缺陷修復(fù)問題。

圖5 多軸機(jī)器人電弧增材[25]

2.3 電弧增材修復(fù)應(yīng)用研究

使用電弧增材制造技術(shù)修復(fù)模具主要包括3個(gè)步驟：獲取工藝參數(shù)；進(jìn)行三維模型的分層切片；規(guī)劃沉積路徑。首先，在獲取工藝參數(shù)方面，為了更高效和便捷地獲得所需參數(shù)，目前主流的方法是通過數(shù)字化和智能化技術(shù)構(gòu)建各種預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的智能預(yù)測(cè)。其次，實(shí)現(xiàn)高精度且無缺陷的幾何零件制造的關(guān)鍵在于運(yùn)用三維分層切片算法和編程軟件。這些工具能為特定零件的三維模型生成精確的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑和焊接參數(shù)。根據(jù)三維分層切片的結(jié)果，針對(duì)使用材料、工作條件或者成形性能，設(shè)計(jì)高效率、高精度的自動(dòng)化沉積路徑規(guī)劃和工藝優(yōu)化，以規(guī)避潛在的工藝引起的缺陷。為提高電弧增材模具修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用可行性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化電弧增材制造工藝、優(yōu)化模具三維結(jié)構(gòu)、集成多種智能化設(shè)備等對(duì)電弧增材修復(fù)技術(shù)的工藝及設(shè)備不斷進(jìn)行優(yōu)化[26]，在保證修復(fù)工程的高效率、高質(zhì)量、低成本及低損耗的基礎(chǔ)上，能夠顯著提高修復(fù)后模具的性能和使用壽命。

3 模具電弧增材修復(fù)工藝研究

電弧增材制造修復(fù)過程主要包括失效模具修復(fù)前的預(yù)處理、模具修復(fù)成形預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化、三維掃描獲取待修復(fù)模具的三維模型、通過布爾運(yùn)算獲取待填充區(qū)域的三維模型、對(duì)三維模型進(jìn)行分層切片、沉積路徑規(guī)劃、生成機(jī)器人控制程序，以及實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)域逐層堆疊的修復(fù)填補(bǔ)[27]。其中，最為核心的環(huán)節(jié)往往是成形預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化、三維模型的分層切片及沉積路徑的規(guī)劃。模具電弧增材修復(fù)工藝流程如圖6所示。

圖6 模具電弧增材修復(fù)工藝流程

3.1 成形預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究現(xiàn)狀

模具修復(fù)中的電弧增材制造是一個(gè)涉及多參數(shù)耦合的復(fù)雜過程。這一過程包含了多個(gè)復(fù)雜的工藝參數(shù)，它們相互耦合并直接影響著增材成形的形貌和效果。因此，研究電弧增材工藝參數(shù)與成形形狀之間的關(guān)系，以及快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)最優(yōu)的電弧增材修復(fù)工藝參數(shù)，成為提高模具修復(fù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，YANG等[28]為獲得表面質(zhì)量和尺寸精度高的成形零件，建立了工藝參數(shù)與微珠幾何形狀之間的數(shù)學(xué)模型，研究了工藝參數(shù)與堆焊層幾何形狀之間的復(fù)雜關(guān)系；YIN等[29]基于5083鋁合金雙絲CMT焊接的大量數(shù)據(jù)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)焊接工藝參數(shù)和焊縫尺寸進(jìn)行了分析，建立了焊縫成形參數(shù)的精確預(yù)測(cè)模型（見圖7），研究了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在定量分析電弧焊系統(tǒng)從輸入焊接參數(shù)到輸出焊縫尺寸等方面的高效率和高精度優(yōu)勢(shì)；趙鵬等[30]基于TIG電弧增材制造平臺(tái)，研究了焊接電流、焊接速度、送絲速度對(duì)焊道熔寬和余高的影響，建立了BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化得到焊縫尺寸預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)性能良好，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)單焊道的尺寸；ROUT等[31]提出一種基于模糊回歸和粒子群優(yōu)化的混合優(yōu)化方法，以獲得焊縫強(qiáng)度和尺寸，該方法能夠克服現(xiàn)有優(yōu)化方法的各種局限性，有效分析各工藝參數(shù)和性能參數(shù)的模糊性和顯著性；董海等[32]為提升成形零件的尺寸精度，提出一種基于自適應(yīng)布谷鳥（ACS）算法優(yōu)化的深度信念神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型ACS-DBN，與現(xiàn)有模型相比，該模型能夠有效映射電弧增材制造焊道尺寸和工藝參數(shù)之間的復(fù)雜線性關(guān)系，并且具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖7 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型[29]

上述國(guó)內(nèi)外針對(duì)電弧增材制造成形預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究現(xiàn)狀表明，運(yùn)用各種智能算法可以有效解決在電弧增材過程中工藝參數(shù)的尋優(yōu)問題。但是依然存在以下兩個(gè)問題：一是大部分預(yù)測(cè)模型考慮的輸入工藝參數(shù)較少，應(yīng)該涵蓋大部分電弧增材制造過程中影響成形效果的工藝參數(shù)，才可以提高模型的合理性；二是現(xiàn)有模型所用算法大多對(duì)于輸入?yún)?shù)的規(guī)模具有依賴性，容易因?yàn)闃颖玖窟^少而導(dǎo)致降低尋優(yōu)結(jié)果的準(zhǔn)確性，只有以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，才能夠保證模型的訓(xùn)練性能。因此，研究一種可以合理、準(zhǔn)確、快速且穩(wěn)定的智能預(yù)測(cè)模型，對(duì)于電弧增材制造的成形預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化具有巨大的應(yīng)用前景。

3.2 三維模型分層切片算法研究現(xiàn)狀

模具電弧增材修復(fù)技術(shù)基于“離散-堆積”原理進(jìn)行。其中，“離散”主要指的是將三維數(shù)字化模型通過不同算法從“體”轉(zhuǎn)換為“面”，即進(jìn)行離散切片處理。因此，三維模型的分層切片成為電弧增材修復(fù)技術(shù)中處理三維模型數(shù)據(jù)的核心關(guān)鍵步驟[33，34]。這一步驟影響著模具修復(fù)過程中的變量控制和精度。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)主要集中在針對(duì)不同三維模型文件格式的切片算法開發(fā)、分層切片厚度的設(shè)定選取，以及切片效率的優(yōu)化等方面。針對(duì)不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的分層處理，HAN等[35]提出了一種新的基于STEP格式模型的直接切片算法，該算法基于非均勻有理B樣條（NURBS）曲面描述三維模型，采用離散跟蹤算法對(duì)NURBS曲面進(jìn)行分層，解決了CAD模型的直接切片無法解決復(fù)雜曲面零件高精度切片的問題；ZHANG等[36]針對(duì)STL格式三維模型，提出一種穩(wěn)定的分層算法，其可以處理具有百萬個(gè)具有拓?fù)湫畔⑷切蔚母呔萐TL模型，還可以自動(dòng)識(shí)別外輪廓和內(nèi)輪廓，大幅提高了分層切片效率；丁華峰等[37]為提高STL模型切片方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，提出一種基于MATLAB的STL文件分層切片算法，能夠快速準(zhǔn)確地找到與當(dāng)前切平面相交的三角面片，運(yùn)用MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算能力能夠有效提高切片算法的穩(wěn)定性和精確性；XU等[38]基于逆向工程獲得的點(diǎn)云模型，提出了點(diǎn)云投影識(shí)別的數(shù)學(xué)建模和處理方法，并引入新的權(quán)重函數(shù)，考慮了點(diǎn)云偏移距離在切片輪廓繪制中的影響，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云的投影識(shí)別和分層輪廓的精確構(gòu)造（見圖8）；針對(duì)近年來由于求解效率高而備受關(guān)注的體素化模型切片方法，牛其華[39]研究了應(yīng)用于電弧增材制造的體素化模型曲面分層方法，提出了體素模型的曲面偏置和基于生長(zhǎng)線的曲面切片算法，成形試驗(yàn)表明，該算法能顯著降低焊接過程中的熱量積累，可弱化“階梯效應(yīng)”，提高零件表面質(zhì)量。

圖8 基于點(diǎn)投影的分層輪廓方法[36]

通過國(guó)內(nèi)外對(duì)三維模型分層切片算法的研究進(jìn)展可看出，針對(duì)不同三維模型文件格式的分層切片算法研究各具特點(diǎn)，但是追求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、切片方法簡(jiǎn)單在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是主流研究重點(diǎn)，但是一味針對(duì)三維文件模型特質(zhì)進(jìn)行切片算法研究，不考慮電弧增材制造實(shí)際應(yīng)用情況，所開發(fā)的切片算法容易存在與電弧增材制造系統(tǒng)不兼容等困難，針對(duì)適用電弧增材制造系統(tǒng)和成形零件精度控制的切片算法，應(yīng)該在考慮合適的三維模型格式的基礎(chǔ)上結(jié)合電弧增材制造特性研究開發(fā)自適應(yīng)層厚切片算法，為實(shí)現(xiàn)模具的電弧增材修復(fù)技術(shù)提供良好的理論與技術(shù)支持。

3.3 沉積路徑規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀

通過三維模型分層切片處理后得到離散二維截面，針對(duì)每一層截面結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)及成形質(zhì)量選擇合適的沉積路徑規(guī)劃方法，是保證模具修復(fù)結(jié)果的精度控制和性能質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)[40]。因此，國(guó)內(nèi)外研究者圍繞二維截面的沉積路徑規(guī)劃算法開展了大量研究，主要涉及控制成形質(zhì)量和沉積速率兩方面。為提高電弧增材制造成形零件的表面質(zhì)量和強(qiáng)度，方力等[41]提出了一種復(fù)合路徑規(guī)劃算法，將多種增材制造路徑規(guī)劃算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單空洞截面的填充，減少了空行程，提高了成形效率（見圖9）；針對(duì)目前已有的掃描路徑算法的不足，邵坦等[42]在輪廓偏置掃描路徑填充算法和分區(qū)掃描路徑填充算法的基礎(chǔ)上提出了一種改良的基于偏置輪廓特征的分區(qū)掃描路徑填充算法，在一定程度上改善了成形質(zhì)量和成形效率；MICHEL等[43]提出一種模塊化路徑規(guī)劃解決方案（MPP），旨在將基于特征設(shè)計(jì)的模塊化融入到傳統(tǒng)的分層策略中，可以根據(jù)幾何圖形調(diào)整路徑規(guī)劃，從而提高復(fù)雜幾何構(gòu)件的成形效率；針對(duì)多邊形截面零件的幾何中心和拐角搭接處容易出現(xiàn)孔洞的問題，LIU等[44]提出了一種復(fù)合路徑規(guī)劃方法和拐角修正策略，由鋸齒路徑和等高線偏置路徑組成的復(fù)合路徑，用于填充多邊形截面零件的幾何中心，可解決中心孔洞問題，通過修正外輪廓路徑中的拐角搭接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)拐角孔洞問題，從而改善復(fù)雜多邊形構(gòu)件的表面形貌和成形質(zhì)量；對(duì)于復(fù)雜表面上的曲面沉積，由于重力作用出現(xiàn)的沉積面凹凸不平的問題，HU等[45]提出了一種基于區(qū)域的機(jī)器人電弧增材制造路徑規(guī)劃方法（CLWAAM），該方法可以在復(fù)雜表面的任意區(qū)域保持水平焊接位置，最大限度地減少重力的不利影響，保證了沉積面的均勻形貌，可廣泛用于熱鍛模具、水輪葉片等耐磨表面零件的修復(fù)和制造。

圖9 電弧增材填充路徑規(guī)劃[38]

從國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)沉積路徑規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀來看，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件，可以選擇一些固定的沉積路徑規(guī)劃方法。然而，對(duì)于幾何特征復(fù)雜的大型零件，特別是帶有空腔的零件，單一的沉積路徑通常難以有效保證成形的質(zhì)量和效率。因此，根據(jù)具體情況，綜合考慮零件的幾何特征、殘余應(yīng)力及熱量積累等因素，設(shè)計(jì)結(jié)合多種增材制造路徑的復(fù)合路徑規(guī)劃方法，對(duì)于確保模具電弧增材修復(fù)的質(zhì)量和效率至關(guān)重要[46,47]。

4 模具電弧增材修復(fù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著模具產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)，行業(yè)越來越傾向于追求高精度、高耐蝕性、高耐磨性和長(zhǎng)使用周期等特性。這些趨勢(shì)導(dǎo)致了模具修復(fù)工程量的增加，同時(shí)修復(fù)的技術(shù)要求也在不斷提升。在對(duì)比重鑄模具與修復(fù)模具的優(yōu)劣時(shí)，修復(fù)模具在成本控制和工程效率等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展模具的電弧增材修復(fù)技術(shù)不僅能為未來模具行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還擁有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)面向模具修復(fù)的電弧增材修復(fù)技術(shù)，從提出應(yīng)用以來，各個(gè)方面的研究都取得了很多成果，隨著國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步拓展研究，未來的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)向以下幾個(gè)方面推進(jìn)。

1）向預(yù)測(cè)成形件殘余應(yīng)力、變形情況以及優(yōu)化成形路徑的方向發(fā)展。在電弧增材修復(fù)模具過程中，關(guān)于所用金屬材料的性質(zhì)變化機(jī)理的研究主要圍繞成形件的內(nèi)部性能、微觀組織進(jìn)行，目前的研究更多是停留在簡(jiǎn)單的組織分析和性能規(guī)律的描述，比如單層單道、單層多道、單道多層以及多層多道等典型成形構(gòu)件的組織性能狀態(tài)，然而電弧增材制造技術(shù)不能只考慮最終成形的靜態(tài)結(jié)果，對(duì)于電弧增材過程中的動(dòng)態(tài)性能變化的研究也尤為重要，因此對(duì)電弧增材逐層堆積的過程監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋、數(shù)據(jù)分析等方面的研究將會(huì)由一般性規(guī)律研究轉(zhuǎn)為深入研究理論和機(jī)理。同時(shí)，在電弧增材過程中，由于后一層的熱輸入和前一層的熱積累所形成的一個(gè)熱量循環(huán)作用，導(dǎo)致每一次沉積都會(huì)出現(xiàn)后一層沉積層對(duì)前一層沉積進(jìn)行一次難以避免的回火作用，所以如果不對(duì)成形過程中的熱量循環(huán)及應(yīng)力變化進(jìn)行控制，則會(huì)直接影響最終的成形效果。因此，需對(duì)電弧增材過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，預(yù)測(cè)成形件的變形，研究相應(yīng)的消除殘余應(yīng)力方式以及成形路徑的優(yōu)化策略。

2）向研究結(jié)合工藝參數(shù)與性能評(píng)估的預(yù)測(cè)模型方向發(fā)展。研究工藝參數(shù)之間的相互作用以及工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，但是電弧增材制造過程是一個(gè)多參數(shù)耦合的過程，其中包括焊接電流、焊接電壓、電弧長(zhǎng)度、擺動(dòng)頻率、送絲速度、焊接速度、干伸長(zhǎng)及保護(hù)氣配比等多種工藝參數(shù)，為保證成形質(zhì)量和精度，不能局限于幾種工藝參數(shù)的預(yù)測(cè)模型研究，應(yīng)深入剖析輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)的影響，確定成形效果對(duì)不同工藝參數(shù)之間的受影響靈敏度，建立更為全面的工藝參數(shù)預(yù)測(cè)模型，以合理控制顯著影響成形效果的工藝參數(shù)。同時(shí)為保證模具修復(fù)結(jié)果的適時(shí)性、高效性，還應(yīng)分析模具修復(fù)的精度及力學(xué)性能指標(biāo)，建立模具性能評(píng)估體系，結(jié)合工藝參數(shù)預(yù)測(cè)模型和模具失效機(jī)理分析，建立模具服役壽命和可靠性的預(yù)測(cè)模型。

3）向一體化、智能化集成設(shè)計(jì)方向發(fā)展。目前，對(duì)于三維掃描、模型分層切片、沉積路徑規(guī)劃等電弧增材制造技術(shù)的各個(gè)核心環(huán)節(jié)都有許多的研究成果，但是缺乏一個(gè)高度集成的模具修復(fù)電弧增材制造系統(tǒng)。隨著基礎(chǔ)研究及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，高度集成的商業(yè)設(shè)備和配套軟件將會(huì)逐漸被推出，結(jié)合先進(jìn)的材料技術(shù)、三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)、智能控制技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、機(jī)器視覺傳感技術(shù)，以及各種先進(jìn)智能技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)從材料、功能、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)到增材成形一體化的高度自動(dòng)化與智能化電弧增材模具修復(fù)流程。

5 結(jié)束語

面向模具修復(fù)的電弧增材制造修復(fù)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)模具行業(yè)的發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義，由于其低成本、高修復(fù)效率、低絲材消耗率、短工作時(shí)長(zhǎng)、少量零件限制及高適應(yīng)性等特性，特別適合用于中大型模具的大面積失效區(qū)域修復(fù)。盡管經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在模具修復(fù)的電弧增材制造技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究，但目前研究多集中于單一環(huán)節(jié)，缺乏對(duì)不同環(huán)節(jié)先進(jìn)成果的整合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧增材修復(fù)技術(shù)的高度集成應(yīng)用。同時(shí)，在模具修復(fù)材料、壽命評(píng)估、修復(fù)精度及性能保證方面仍存在諸多問題待解決。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，融合電弧增材制造技術(shù)、智能閉環(huán)控制技術(shù)及精密減材技術(shù)的復(fù)合形增減材技術(shù)，將成為未來制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。因此，模具修復(fù)的電弧增材制造技術(shù)未來必將走向多學(xué)科交叉、智能化、數(shù)字化及并行化制造的道路。