面向金属材料快速制造的特种加工技术.pdf

化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 工艺技术45面向金属材料快速制造的特种加工技术*林 凯哈尔滨职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150081摘要：面向金属材料快速制造的特种加工技术是一种新型的制造技术，其主要目的是通过使用先进的数控机床、激光加工、电火花加工等高精度加工设备，对金属材料进行快速、高效、精确的加工。这些加工技术可以大大缩短制造周期，提高制造效率，也可以实现复杂零件的制造和精度控制。文章主要对面向金属材料快速制造的特种加工技术展开论述。关键词：金属材料；快速制造；特种加工技术分类号：TH16快速制造技术是一种将数字模型转换为实际物体的制造方法，它通过使用计算机辅助设计（CAD）软件和计算机辅助制造（CAM）软件，将数字模型转换为物理模型。这种制造方法具有高效、灵活、精度高等优点，已经在许多领域得到了广泛应用，包括航空航天、汽车制造、医疗器械等。面向金属材料的特种加工技术是快速制造技术的一个分支，它主要应用于金属材料的加工和制造1。传统的金属加工方法如铸造、锻造、切削等存在一些局限性，如生产周期长、成本高、精度低等。特种加工技术则通过使用先进的加工设备和材料，可以快速、精确地制造出复杂的金属零件和工件，具有良好的应用前景。特种加工技术可以应用于航空航天、汽车制造、机械制造、医疗器械等领域。例如，在航空航天领域，特种加工技术可以用于制造高强度、轻量化的航空零件；在医疗器械领域，特种加工技术可以用于制造高精度、复杂的医疗器械。因此，特种加工技术的发展对于提高制造业的水平、促进产业升级和经济发展具有重要意义。1 金属材料快速制造技术概述金属材料快速制造技术是一种基于数字化设计，利用激光、电子束等能量源，通过逐层堆叠、熔融或固态连接等方式，直接制造金属零部件的一种新型制造技术。它通过数字化设计、快速成型、快速检测等技术手段，能够快速、高效、精准地制造复杂的金属零部件，具有高度的灵活性和可定制性。根据制造原理和工艺特点，金属材料快速制造技术可以分为以下五类：一是激光熔化成形技术，利用激光束或电子束等高能量源，将金属材料加热至熔点或半固态状态，通过逐层堆叠或扫描成形等方式，直接制造金属零部件；二是电子束成形技术，利用电子束束流，将金属材料加热至熔点或半固态状态，通过逐层堆叠或扫描成形等方式，直接制造金属零部件；三是等离子弧成形技术，利用等离子弧等高温能量源，将金属材料加热至熔点或半固态状态，通过逐层堆叠或扫描成形等方式，直接制造金属零部件；四是金属粉末烧结成形技术，将金属粉末加压成型，然后在高温下进行烧结，使其成为一体化的金属零部件；五是金属粉末喷涂成形技术，将金属粉末通过喷涂技术喷射到基板上，然后在高温下进行烧结，使其成为一体化的金属零部件。2 金属材料快速制造技术的优缺点2.1 优点（1）制造周期短：采用数字化设计和直接制造的方式，可以大幅缩短制造周期，提高制造效率。（2）可定制性强：采用数字化设计和直接制造的方式，可以根据客户需求进行个性化定制，提高产品的附加值。（3）制造精度高：采用高能量源加工的方式，可以实现高精度的制造，提高产品的质量和性能。（4）可降低成本：采用数字化设计和直接制造的方式，可以减少原材料浪费和节约人力资源，降低制造成本。2.2 缺点（1）制造成本高：金属材料快速制造技术需要高文章编号：1672-500X（2023）04-0045-03*基金项目：哈尔滨职业技术学院汽车驾驶安全科技创新团队项目 作者简介：林凯，男，硕士，讲师，研究方向为机械加工、特种加工。工艺技术 2023 年 第 4 期 化纤与纺织技术46能量源和昂贵的设备，制造成本较高。（2）材料选择有限：金属材料快速制造技术对材料的选择有一定限制，目前只能制造部分金属材料的零部件。（3）制造尺寸有限：目前，金属材料快速制造技术只能制造较小尺寸的零部件，制造大型零部件的技术尚未成熟。（4）制造精度受限：金属材料快速制造技术在制造精度上受到一定的限制，无法满足某些高精度零部件的制造需求。3 传统加工技术的局限性传统金属加工技术包括铣削、车削、钻孔、铸造等，虽然这些技术已经历了几十年甚至上百年的发展，但它们仍然存在一些局限性。其中，最突出的问题包括加工时间长、成本高、精度低等。首先，传统金属加工技术需要进行多道工序，每道工序都需要进行不同的操作，需要经过多次加工才能得到最终的产品。这导致加工时间长，从而增加了成本。其次，传统金属加工技术的成本高。由于需要进行多道工序，每道工序都需要不同的工具和设备，这导致了设备和材料成本的增加。同时，随着加工时间变长，工人的工资成本也增加了。最后，传统金属加工技术的精度低。由于需要进行多道工序，每道工序都会带来一定的误差，这最终会导致产品的精度降低。此外，传统加工技术是手工操作的，工人的技能和经验也会影响产品的精度。随着市场需求的增加，需要更快、更精确、更经济的加工技术。因此，人们需要寻找新的加工技术，以满足市场需求。一些新的技术如激光切割、数控加工、3D 打印等，已经逐渐被广泛采用。这些技术可以减少加工时间，提高精度，并且可以实现更经济的加工过程。4 特种加工技术概述（1）激光熔化沉积技术，该技术是利用高能量密度的激光束将金属粉末熔化并沉积到工件表面，形成所需的形状。该技术具有高精度、高效率、低成本等特点，适用于制造复杂形状的零件。（2）电子束熔化沉积技术，该技术是利用高速电子束将金属粉末熔化并沉积到工件表面，形成所需的形状。该技术具有高精度、高效率、低成本等特点，适用于制造高温、高强度、高耐腐蚀性的零件。（3）选择性激光烧结技术，该技术是利用激光束将金属粉末烧结在一起，形成所需的形状。该技术具有高精度、高效率、低成本等特点，适用于制造小批量、高精度的零件。（4）电化学加工技术，该技术是利用电化学反应将金属粉末沉积到工件表面，形成所需的形状。该技术具有高精度、高效率、低成本等特点，适用于制造复杂形状的零件。（5）热喷涂技术，该技术是将金属粉末喷涂到工件表面，形成所需的形状。该技术具有高效率、低成本等特点，适用于制造大型零件或修复零件表面。5 不同类型的特种加工方法5.1 特种加工工艺建模特种加工的过程是非常复杂的，不同背景下的金属材料加工方式涉及如电学、热学或者化学等多个领域，其加工原理相对于传统加工方式难度很大，无法通过单一的原理或者公式解释和实现。随着科学技术不断发展，技术研究者结合不同应用场景、不同材料深入研究特种加工技术的建模概念，在不同类型的人工智能技术的支持下，通过建模的方式详细、清晰地描述特种加工的整个过程。通过建立的模型，技术人员可以实现对加工条件的精度、效率等进行模拟实验验证，从而判断实际生产成果来指导实际生产加工过程中可能会出现的问题。5.2 智能控制特种加工从特种加工的概念与方式、方法诞生以来，技术人员一般运用加工原理，如利用金属材料的化学性质，运用详细的模型、再通过加工开展实现金属材料的加工。从控制理论来看，无法运用经典的控制方法取得理想结果。长久以来，人们通过自适应控制策略控制加工条件，在很大程度上提高了产品性能，且能够延长产品使用寿命。近些年来，研究人员将注意力投入模糊控制等技术方面，其在精密机械上的应用范围十分广泛。该项技术能够自动捕捉到最佳数据，从而实现对整个金属材料加工过程的控制，并对于出现金属材料加工过程中的不合理、错误之处随时监控和掌握；同时，结合人工智能、大数据分析的原理预判出可能出现的多种结果，从而为生产设计提供思路，最大限度地提高生产质量2。5.3 新型特种加工技术从 20 世纪开始，伴随机械、工业等新兴产业的发展，高效特种加工技术呈现多样化发展，对整个金属化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 工艺技术47材料制造业实现快速制造的进程产生了重要影响。磁力研磨技术能够运用磁场作用，实现金属零件表面的复杂曲面的研磨抛光处理。在加工过程中，它能够严格控制零件与器械之间能够保持最佳距离，从而提高产品生产效率，在实践中能够实现自动抛光，且生产成本较低。当前，针对技术运用机理的研究，技术人员进行了磁场强度、磨料力度等关键因素之间的作用关系的探讨，以此寻找生产条件的规律和影响生产环节的关键要素，再通过调整不同要素的关键参数，从而提高生产效率。6 激光熔化沉积技术的优化策略6.1 选择适当的材料在使用激光熔化沉积技术时，选择适当的材料至关重要。材料的选择应该考虑到其熔点、热导率、膨胀系数和化学成分等因素。高熔点和低热导率的材料通常需要更高的激光功率和更长的加工时间，而化学成分的差异可能会导致材料的热膨胀系数不同，这可能会影响零件的尺寸精度和形状稳定性。6.2 优化激光参数激光参数的选择对于制造零件的质量和效率至关重要。激光功率、扫描速度、激光束直径和激光脉冲频率等参数都会影响熔化和沉积过程中的热传导和熔池形成。通常情况下，高功率和低扫描速度的激光参数可以提高熔池的深度和宽度，从而增加沉积速度和零件的密度。但是，过高的功率和过低的扫描速度可能会导致熔池过度熔化和气孔的形成，从而降低零件的质量，可以通过调整激光扫描策略改变激光熔化沉积过程中的温度循环特征，探明温度循环特征、物相组织与力学性能之间的关系，通过温度循环特征调控材料物相组织与力学性能。该方法可简化后续热处理工艺，具有提高构件生产效率、减少能源消耗的工程应用优势。6.3 优化工艺参数工艺参数的选择也是影响制造效率和质量的重要因素。沉积层厚度、预热温度、气氛保护和后处理等参数都会影响零件的质量和稳定性。通常情况下，较大的沉积层厚度可以提高制造效率，但是也会增加热应力和变形的风险。适当的预热温度可以减少热应力和变形的风险，而气氛保护可以防止材料氧化和气孔的形成。后处理可以进一步改善零件的质量和稳定性，例如，退火可以减少残余应力和提高材料的韧性。综上所述，通过选择适当的材料、激光参数和工艺参数，可以优化激光熔化沉积技术，提高制造效率和质量。在实际应用中，需要根据具体的制造要求和材料特性进行参数的优化和调整，以获得最佳的制造效果。此外，可以通过在打印过程中对熔池特征和凝固条件进行调控，不但可以优化沉积合金致密度，有助于形成独特的晶体层片组织，而且可以促进沉积过程中内在的热变形和热处理，从而诱导了更高的位错密度和晶粒细化，实现无须后续热处理下沉积构件强塑性的显著提升。7 应用与展望特种加工技术是一种高效、精密的加工方法，可以在金属材料的制造过程中实现快速、高质量的生产。以下是特种加工技术在金属材料快速制造中的应用和特点。一是激光加工技术，该技术是一种高能量密度的加工方法，可以在金属材料上进行切割、打孔、刻蚀等加工。激光加工技术具有加工速度快、精度高、加工质量好等优点，特别适用于金属材料的快速制造。二是电火花加工技术，该技术是一种通过电火花放电来进行加工的方法，可以在金属材料上进行精密加工。电火花加工技术具有加工精度高、加工表面质量好等优点，特别适用于金属材料的微小加工。三是超声波加工技术，该超声波加工技术是一种利用超声波震动来进行加工的方法，可以在金属材料上进行切割、焊接等加工。超声波加工技术具有加工速度快、加工质量好等优点，特别适用于金属材料的快速制造。特种加工技术的发展趋势和前景如下。（1）高效、精密加工。随着科技的不断进步，特种加工技术将会越来越高效、精密，使得金属材料的快速制造更加容易实现。（2）自动化、智能化加工。特种加工技术将会越来越自动化、智能化，使得加工过程更加智能、高效。（3）多功能加工。特种加工技术将会越来越多功能化，可以在同一设备上实现多种加工方式，从而提高加工效率。（4）环保、节能加工。特种加工技术将会越来越环保、节能，减少对环境的污染，降低能源消耗。参考文献1 方晓阳.加工工艺对奥氏体先进高强钢组织与力学性能的影响D.杭州:浙江大学,2016.2 牛梓源,陈燕,张泽群,等.特种加工技术在再制造领域中的应用与发展J.金刚石与磨料磨具工程,2021,41(5):1-8.