华中科技大学张海鸥教授团队科技进展：大型整体结构增等减材一体化制造工艺及装备

来源：华中科技大学张海鸥教授团队

本文为大家报道了大型整体结构增等减材一体化制造工艺及装备的新进展。

一、研究的背景与问题
大型整体构件是现代大型飞机关键结构件，其性能是影响整机性能与可靠性的重要因素。而此类结构件制造中所面临的问题，已成为制约我国乃至世界各主机厂急需解决的重大关键技术问题。随着飞机结构件向着轻量化、大型化、整体化制造方向发展，低成本高效率地制造高性能高可靠性、功能结构一体化的大型整体轻量化航空结构件对航空制造技术提出新的挑战。例如，尺寸为3600mm×1500 mm×150mm的铝合金主承力构件飞机框梁、飞机吊挂、吊挂盒段。一体化的设计可减轻结构重量，但采用传统减材、等材加工的制造方法面临巨大困难。如美国F35的主承力构件需万吨级水压机压制成形，之后还需要大量繁琐的铣削、打磨等复杂工序，制造周期和流程长。又如，吊挂底梁腹板模锻件重量为760Kg，而实际成品只有77.625Kg，材料利用率仅10%。由此可见，大型结构件的传统制造方法，不仅需要大型水压机、大型多轴数控机床，而且其材料利用率低，工序繁多，制造周期长，有些构件甚至无法用传统工艺完成加工。正是由于传统加工技术的局限性，现代飞机的大型复杂形状零部件往往只能在结构、重量、形状、性能等诸多方面进行妥协，因而，严重制约了其高性能一体化设计的灵活性。为此，本项目的出发点是：面向高性能一体化大型复杂结构的设计与制造需要，研究一种大型整体结构制造的新技术。

二、解决问题的思路与技术方案
1、铸锻铣复合增材制造大型复杂整体构件成分组织性能控制
通过等离子弧/电弧微铸锻复合增材成形钛合金、铝合金及高强度钢的工艺与组织性能相关性研究，实现其组织演变及冶金质量控制技术的突破，充分挖掘材料极限潜能，使等离子弧/电弧增材制造材料的室温拉伸、冲击、断裂韧度等力学性能达到相同牌号锻件标准，提高成形件的综合性能。

2、微铸锻铣复合增材制造大型复杂整体构件形状精度与残余应力控制
在等离子弧/电弧熔积成形过程中加入受迫成形，即在熔池附近配置万能微型轧辊，其随焊枪沿熔积轨迹作同步运动，约束熔融材料的流动，防止无支撑情况下熔融材料因重力产生的流淌，从而保证复杂形状零件的可成形性；并利用产生的压缩应力和压缩塑性应变状态，细化晶粒、改善组织性能，同时减轻或消除熔池附近区域的拉应力、减小变形与避免开裂，实现复杂形状（悬臂特征或网格筋）和难成形材料零件的直接制造。通过优化熔积、微锻工艺参数控制熔积层应力分布，实现等离子弧/电弧增材制造成形件残余应力减小和消除，满足大型结构件尺寸精度要求。

3、兼顾质量、效率与精度的电弧增材制造成形路径-熔积能量-塑性变形协调的数字化控制技术
增材制造生长方向的设计直接影响构件的组织性能、成形性与效率，需要根据构件材料组织性能、几何拓扑信息、工艺特征等信息来综合优化设计。关于产品数字化集成制造的研究,目前国内外研究者主要集中在基于几何特征建模的CAD/CAM方面,尚缺乏面向零件控形控质并行的制备成形一体化过程能量场、几何运动学场、材料传质场的多特征综合优化智能设计与热力-变形力-运动协调控制的研究,而此方面的研究是复合增材制件质量保证的关键。因此，为满足复杂承载流线的高性能构件直接快速成形的需要，探究复合增材制造新工艺的成形路径-熔积能量-塑性加工条件对复杂形状零件成形性和组织性能的影响规律，把握电弧熔积-多向微锻——分段铣削三工序在时间-空间-能量场三方面合理匹配的规则，建立电弧增材快速成形以及过程热-运动-变形力协调集成控制的数字化模型，是实现高性能复杂零件直接制造兼顾质量、效率与精度的主动控制关键技术。

4、微铸锻铣复合增材制造过程缺陷检测与质量在线诊断及缺陷在线修复

（1）开发红外熔区温度与激光视觉表面质量检测系统。
采用被动式红外检测方法，利用红外热像设备实时监测熔积层表面温度场信息，开发温度场堆叠等算法获得实时熔积层红外轮廓，宽度变化等信息，同时通过对表面异常温度点的分析，识别熔积层气孔等缺陷，最终建立基于多特征的在线检测系统。通过对缺陷成形机理的研究，依据检测结果动态调整工艺参数以提高熔积质量和精度。

采用不同模式（点阵和线阵）结构激光照射熔积层表面，获取熔积层表面反射图像，设计相关图像处理算法提取反映熔积层表面变化的特征信息，得到表面质量信息，分析熔积层表面测量结果，与模型理想数据进行对照，动态调整以提高表面平整度及轮廓尺寸精度。

（2）构建增材成形过程质量监控系统。
对整个成形过程中的各个环节进行模块化控制，以实现制造过程的实时监测。参数分布如图1所示。对整体工件实时监测其高度、温度、表面形貌、变形量等，通过采集的数据与模型进行对比，优化制造轨迹，控制制造温度与变形；根据轨迹代码驱动运动机构进行运动，实时监测机构运行状况；以焊机为主体的热源熔覆机构，通过设定优化的工艺参数信息，同时传感器实时采集送丝速度、电压、电流、气体流量等工艺参数信息，并与设定参数对比，监测成形过程中的稳定性；对成型中的焊道形貌、焊道温度、熔池形貌、熔池温度进行监测，通过数据分析处理系统综合处理，保证电弧及成型焊道的稳定性；对微铸锻实时进行APC与AGC结合的轧制控制，确保性能、形貌、变形的可控。

△增材成形质量监控系统的组成

5、多丝多枪等离子/电弧微锻造柔性紧凑机构研制
飞机承力框、钛合金吊挂外后接头皆为变壁厚复杂形状零件，其制造策略为变方向自适应切片与多姿态熔积轨迹。为保证微锻造随熔积成形轨迹同步运动且适应制件飞机承力框、钛合金吊挂外后接头和工装的几何约束条件，需要设计可变自由度和加载方向的柔性紧凑加载机构。

设计多向微锻机构可根据成形区相对于工件截面的形状和位置，来自动设定工作辊的个数和加力方向，自由变更机构的拓扑构态和自由度，而且该机构要随工件断面形状的变化与数控机床及转台同步协调运动。

△微型变胞轧制机构机械原理图

△电弧微铸锻铣复合增材制造总体研究方案

三、主要创新性成果
1、研制了大型整体结构等离子弧/电弧高效优质增材制造装备
图4为双丝等离子弧熔丝增材制造装备，由SBIPMI-500TL直流等离子电源、ThermacutPWM300等离子焊枪、ET2016送丝机、及自制双送丝装置等组成，100%ED时最大电流280A，60%ED时最大电流350A，可适用钛合金、高强不锈钢、超高强钢材料。在非热丝条件下，对钛合金TC4、高强不锈钢15-5PH、超高强钢A-100进行极限效率试验，钛合金TC4、超高强钢A-100、高强不锈钢15-5PH的增材成形效率分别为6.41kg/h、11.42kg/h、11.34kg/h。

△机床-机器人双枪双丝协同电弧熔丝增材制造装备

2、开发了等离子弧/电弧增材制造过程控制和在线质量检测系统
基于增材制造制件实时监测结果，优化制造轨迹，控制制造温度与变形，同时传感器实时采集送丝速度、电压、电流、气体流量等工艺参数信息，并与设定参数对比，监测成形过程中的稳定性；对成型中的焊道形貌、焊道温度、熔池形貌、熔池温度进行监测，通过数据分析处理系统综合处理，保证电弧及成型焊道的稳定性；对微铸锻实时进行APC与AGC结合的轧制控制，确保性能、形貌、变形的可控。

△电弧增材工艺参数监测系统

四、应用情况与效果
针对大型整体结构，武汉天昱智能制造有限公司开展了等离子弧/电弧增材制造技术应用验证研究，突破大型整体结构工艺毛坯优化设计、变形控制、过程监控等关键技术，形成工艺毛坯、工装实物、工艺方案、样件实物等研究成果，包括钛合金TC4吊挂外后接头样件2件、超高强钢A-100吊挂盒段底梁结构样件1件、铝合金飞机承力框样件1件、低碳钢吊挂盒段底梁结构模拟件1件、低碳钢吊挂盒段底梁结构模拟件1件。

△钛合金TC4吊挂外后接头和超高强钢A-100钢吊挂盒段底梁

△铝合金飞机承力框

本项目研发的等离子/电弧熔积微铸锻铣复合增材制造新技术不仅为飞机框梁、吊挂盒段底梁及吊挂盒段的可靠长寿、节能省材、高效低成本、整体制造提供了可行的解决方法，而且可推广用于航空发动机及燃气轮机燃烧室、涡轮盘等部件的优质轻量化研发及生产。同时通过建立复合增材制造新技术标准体系，实现批生产供应，使我国大型高性能可靠性航空锻件高效率增材制造技术处于国际领先地位。