一種新式金屬零部件增材制造裝置及工作方法

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 機械工程學院，杭州 310063）

目前，工業生產中對金屬鑄造零部件的主要生產流程為“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雜的零部件在鍛壓過程中存在鍛壓不均勻、轉位不方便等諸多弊端[2-6]。為了鍛壓方便，需要先生產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，復雜金屬零部件在鑄造過程中，內部容易出現氣泡、縮孔和熱應力所導致的裂紋等缺陷[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，目前傳統金屬零部件生產方法存在效率低、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致易出現裂紋和氣孔等缺陷。

增材制造是一種根據數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復雜三維實體零部件的生產。對于鑄造金屬零部件來講，目前的增材制造技術僅僅是解決鑄造毛坯環節，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加工關鍵零部件，后續依然需要進行鍛造處理。因此，目前增材制造技術從效率和性能方面無法滿足鑄造金屬零部件的高效高質制造。

1 裝置組成

這是一種新式金屬零部件增材制造裝置。該裝置外殼內設有三軸運動平臺，三軸運動平臺連接工件承載機構，工件承載機構上方設有運輸管和鍛壓機構，運輸管與熔融金屬供給機構連接[8-11]。熔融金屬供給機構內的熔融金屬能夠通過管路流到工件承載機構上。鍛壓機構用于對工件承載機構的熔融金屬進行鍛壓。熔融金屬供給機構采用金屬熔煉電爐，金屬熔煉電爐設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部。圖1為該裝置整體結構示意圖，圖2為冷卻板內流道分布示意圖。

如圖1所示，外殼4內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，工件承載機構包括冷卻板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。零部件基板上方設置有與熔融金屬供給機構連接的管路和鍛壓機構[12]。三軸運動平臺采用三軸聯動機構，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 整體結構示意圖

如圖2所示，冷卻板內部有流道，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，經過冷卻板內部流道，由流道的出口端13流出。

圖2 冷卻板內流道分布示意圖

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置有保護氣體入口管，外殼的一側側部殼壁的底部設有保護氣體出口管。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部。打開第三控制閥，外殼內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。

熔融金屬供給機構采用金屬熔煉電爐6，金屬熔煉電爐吊裝在起吊設備上。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量較大，設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通和關閉。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，并通過運輸管鋪設在工件承載機構上。相比傳統的金屬增材制造方法，該方法效率更高。

鍛壓機構9采用現有的鍛壓機技術。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]。

為了保證外殼內部溫度，在外殼的4個側部殼壁內側面固定冷卻管總成10。冷卻管總成由銅管盤繞而成，均勻分布在外殼的側部殼壁內側面。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11連接，由控制系統控制其工作。

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，通過三維軟件構造零部件的三維實體模型；

（2）將構建的三維實體模型進行分層處理，根據分層數據規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通入保護氣體，排出密封外殼內部空氣，然后關閉第二控制閥和第三控制閥，打開泵，在冷卻管和流道內通入冷卻液，傳輸出外殼內部的熱量；

（4）在數控系統中輸入合適的加工工藝參數，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定的軌跡運動，使金屬熔煉電爐內部的熔融金屬通過運輸管流在零部件基板上，并按照設定的形狀鋪設在零部件基板上；

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

（8）重復步驟5～步驟7，直至三維零件增材制造結束。

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，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應力，提高材料的力學性能，使其達到鍛件的力學性能。該裝置將傳統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 關鍵技術

新式金屬零部件增材制造裝置的關鍵技術主要有以下幾方面。

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

圖4 三軸運動平臺示意圖

（2）采用鍛壓機構實現金屬增材成型。相比于傳統的金屬零部件鑄造-鍛造工序，直接將所需金屬零部件進行增材和鍛壓，無需后續的機加工，極大地提高了材料利用率。鍛壓機構如圖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 鍛壓機構示意圖

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

（4）熔融金屬供給機構采用金屬熔煉電爐，能夠直接將金屬熔化為金屬液體，并通過運輸管鋪設在工件承載機構上。傳統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，因此降低了企業設備成本。

需要注意，新式金屬零部件增材制造思路與傳統金屬3D打印不同。傳統金屬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，但對鋪設速度即零部件成型效率有很高要求。鋪設時間越慢，金屬熔煉電爐的能耗越大，其相對的能耗優勢越小[20]。所以，該裝置的效率越快越好。熔融金屬運輸鋪設機構和現有鍛壓機構的效率都可以滿足高速成型，問題關鍵在于熔融金屬通過鋪設機構按軌跡鋪設后如何急速冷卻。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工作效率。所以，實現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，避免了傳統鑄造金屬零部件需要提前制造輔助的鑄造砂型，能夠對任何復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，可為將來類似的產品設計制造提供參考。