某起落架熱鍛模電弧熔絲增材制造梯度修復研究

航空熱鍛模具的服役環境十分惡劣，其壽命通常在數件次或數十件次。此外，航空熱鍛模的型腔通常比較復雜，各個區域的服役工況差別較大。采用傳統方法制造的熱鍛模具，一般整體采用均質模具鋼5CrNiMo 或H13 制得，各區域性能一致，因此，工況惡劣的區域更容易產生壓塌變形、磨損和起裂等失效。同時，由于原材料、熱處理及機加工成本高，進而導致新制模具成本高，因此，大型熱鍛模的再制造修復尤為重要。目前常見失效模具的修復方法為手工堆焊修復，由于操作簡單、工藝要求較低，獲得了廣泛地應用。然而，隨著國家綠色制造和智能制造等戰略的提出，基于數字化、智能化、精確化的機器人自動修復技術逐漸獲得了廣泛地重視。

目前，國內外學者大多將電弧熔絲增材制造技術的研究重點放在小型構件的增材制造上，而對自動電弧熔絲增材制造技術在大型失效熱鍛模上的再制造修復研究十分有限。為了降低航空熱鍛模的使用成本，提高修復效率和精度，本文以某大型起落架失效熱鍛模為研究對象，探討了使用自動電弧熔絲增材再制造技術對其進行自動修復的可行性。

熱鍛模梯度分層設計

在增材制造修復前，首先對模具的結構進行重新設計，進而從結構上提升模具的服役壽命。由于大型航空熱鍛模服役時，各個區域的工況不同，因此最佳設計應當是，不同區域使用不同性能的材料，實現模具的等壽命設計，進而提高模具的服役壽命。為分析各個區域所需的材料性能及類型，使用Deform-3D對熱鍛模服役工況進行數值仿真。

在此背景下，為了提高糖尿病腎病患者的早期診斷效果，對尿液 α1-MG、β2-MG、TRF、mAlb和 Cys-C 進行聯合檢測。其中α1-MG由人體的肝臟和淋巴細胞合成的糖蛋白。正常情況下α1-MG存在于人體各種體液和淋巴細胞膜的表面，但當人體出現異常情況時，如腎小球的過濾能力不足、腎小管吸收α1-MG能力降低時，可導致α1-MG升高。因此α1-MG可用于糖尿病腎病患者腎小球早期損傷的判定指標之一。

如圖1 所示，模具服役時溫度場梯度較大，模具表層溫度較高，心部溫度較低；此外，等效應力場的分布在深度方向上逐漸降低。模擬結果表明，模具表層需要使用耐高溫材料，心部可以使用普通材料。

圖5 為某起落架失效模具自動電弧熔絲增材再制造修復試制結果。修復機器人選擇桁架機器人，即X/Y/Z 三軸控制焊槍沿著規劃的軌跡移動，進而實現目標模型的增材制造。如圖5(a)所示，焊接工藝參數經過不斷調試后可達到近零飛濺焊接。圖5(b)為自動電弧熔絲增材再制造修復后的產品，修復后的產品表面預留了5mm 的機械加工余量。由于采用數字化控制技術，自動修改產品的精度較高，可大幅節省材料，尤其是強化層材料價格高昂，因此采用這種技術進行失效熱鍛模自動修復，不僅可以節省人工成本，還可以大幅節省焊材費用。如圖5(c)所示，機械加工后的起落架模具表面光滑，無氣孔、夾渣等焊接缺陷。

逮及春秋、戰國之際官學下移、私學興起，“文士”漸漸取代“武士”而成為歷史主角，“國人”的歷史內涵亦悄無聲息地完成時代轉型。戰國時期，“國人”儼然成為平民大眾的代名詞。如《孟子·梁惠王章句下》，孟子曰：

電弧熔絲增材制造修復流程

采用輪廓等距偏移算法對增材目標模型進行截面填充，如圖4 所示。不同高度的截面其截面形狀差異較大，距離表面4mm 處的增材路徑有一個封閉區域，距離表面22mm 處的增材路徑有兩個封閉區域。不同高度位置的等距隨形填充軌跡效果較好，斷弧次數較少。此外，輪廓等距偏移填充軌跡的過渡圓滑、轉折較少，機器人焊接時，對減速機、伺服電機的沖擊較小。

圖3(a)為增材制造修復目標模型，表示待增材制造的形狀，圖3(b)為在某一個高度進行切片的截面形狀，其中，I、III 區域為增材區域，II 區域為空白區域。路徑規劃的目的是生成與焊縫寬度相同的路徑對I、III 區進行完整填充，增材目標模型按照第一節的分層結構進行模型切分，分別得到過渡層和強化層的增材目標模型。

增材目標模型獲取

孔老一失魂落魄地走出碉堡，每見一個弟兄就翻過來認認，奇怪的是，所有的弟兄腦袋都不見了，都露著齊刷刷，碗口粗的血脖子，翻一個是這樣再翻一個還是這樣。連他自己都覺得是不是得了幻覺，或者是在夢游，他仰起脖子，看到血紅的朝陽升起，再看一眼塹壕外面，面向鬼子方向，他的弟兄，他五連所有的弟兄，腦袋挨著腦袋，整整齊齊碼成一排……

③績效指標與績效評價指標。如上文所述，績效指標是對項目績效目標和工作內容的細化和量化。績效評價指標則是運用一定的績效評價標準（計劃標準、行業標準、歷史標準等）衡量績效目標（含績效指標）實現程度的考核工具，包含個性評價指標和共性評價指標兩種類型。績效指標和績效評價指標既是考核與被考核的關系，也存在一定程度的可轉化關系。如在某個培訓類預算項目中，項目單位申報產出指標——完成培訓人員，指標值為“**名”。項目執行完成后，可設置績效評價指標——培訓人員完成率，用實際完成培訓人員情況與申報的計劃完成培訓人員之比來衡量績效指標的實現程度。

增材路徑規劃設計

失效熱鍛模具的自動電弧熔絲增材再制造修復步驟為：失效區域去除(碳弧氣刨或機械加工)→3D掃描獲取去除失效區域后的數模→增材再制造模型重構梯度結構設計→分層切片→增材路徑規劃→焊接工藝參數確定→機器人增材命令流生成→增材再制造修復→機械加工。其中，目標模型獲取和路徑規劃直接影響到增材制造修復的精度和質量。

增材修復試制及驗證

增材制造修復

如圖2 所示，根據溫度場和應力場分析結果，設計的模具三層結構分別為：模具基體、過渡層、強化層。其中，模具基體為5CrNiMo 材質，過渡層通常為鐵基材料，強化層可以使用鎳基材料。

在整個修復流程中，3D 掃描的目的在于獲取碳弧氣刨后不標準的模具模型，便于后續與標準模型做差，進而獲得增材再制造目標模型。

生產驗證

某起落架的材質為高強度A-100 鋼，其強度達到2000MPa；坯料的重量大于600kg，坯料加熱溫度大于1100℃，模具要求預熱溫度450℃。進行48 件產品的生產，生產后對模具進行檢驗。如圖6 所示，自動梯度增材修模與手工均質修復鍛模相比，鍛模沖頭和橋部無堆塌、翻邊等缺陷，自動梯度增材修模整體狀況較手工均質修復模具有較大改善。

結論

⑴使用基于數字化、自動化、智能化技術的電弧熔絲增材制造修復技術修復大型熱鍛模，能夠精確控制增材區域、精確控制機械加工余量，進而顯著節省增材材料。

⑵使用自動電弧熔絲增材制造修復技術，能夠精確實現熱鍛模的梯度功能增材制造修復，實現“好鋼用在刀刃上”的模具設計理念，進而大幅提升模具的服役壽命。

⑶自動梯度增材修復鍛模與手工均質修復鍛模相比，鍛模沖頭和橋部無堆塌、翻邊等缺陷，模具服役壽命遠高于手工均質修復模具。