華中科技大學(xué)張海鷗教授團(tuán)隊科技進(jìn)展：大型整體結(jié)構(gòu)增等減材一體化制造工藝及裝備

來源：華中科技大學(xué)張海鷗教授團(tuán)隊

本文為大家報道了大型整體結(jié)構(gòu)增等減材一體化制造工藝及裝備的新進(jìn)展。

一、研究的背景與問題
大型整體構(gòu)件是現(xiàn)代大型飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其性能是影響整機(jī)性能與可靠性的重要因素。而此類結(jié)構(gòu)件制造中所面臨的問題，已成為制約我國乃至世界各主機(jī)廠急需解決的重大關(guān)鍵技術(shù)問題。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)件向著輕量化、大型化、整體化制造方向發(fā)展，低成本高效率地制造高性能高可靠性、功能結(jié)構(gòu)一體化的大型整體輕量化航空結(jié)構(gòu)件對航空制造技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。例如，尺寸為3600mm×1500 mm×150mm的鋁合金主承力構(gòu)件飛機(jī)框梁、飛機(jī)吊掛、吊掛盒段。一體化的設(shè)計可減輕結(jié)構(gòu)重量，但采用傳統(tǒng)減材、等材加工的制造方法面臨巨大困難。如美國F35的主承力構(gòu)件需萬噸級水壓機(jī)壓制成形，之后還需要大量繁瑣的銑削、打磨等復(fù)雜工序，制造周期和流程長。又如，吊掛底梁腹板模鍛件重量為760Kg，而實際成品只有77.625Kg，材料利用率僅10%。由此可見，大型結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法，不僅需要大型水壓機(jī)、大型多軸數(shù)控機(jī)床，而且其材料利用率低，工序繁多，制造周期長，有些構(gòu)件甚至無法用傳統(tǒng)工藝完成加工。正是由于傳統(tǒng)加工技術(shù)的局限性，現(xiàn)代飛機(jī)的大型復(fù)雜形狀零部件往往只能在結(jié)構(gòu)、重量、形狀、性能等諸多方面進(jìn)行妥協(xié)，因而，嚴(yán)重制約了其高性能一體化設(shè)計的靈活性。為此，本項目的出發(fā)點是：面向高性能一體化大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造需要，研究一種大型整體結(jié)構(gòu)制造的新技術(shù)。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、鑄鍛銑復(fù)合增材制造大型復(fù)雜整體構(gòu)件成分組織性能控制
通過等離子弧/電弧微鑄鍛復(fù)合增材成形鈦合金、鋁合金及高強(qiáng)度鋼的工藝與組織性能相關(guān)性研究，實現(xiàn)其組織演變及冶金質(zhì)量控制技術(shù)的突破，充分挖掘材料極限潛能，使等離子弧/電弧增材制造材料的室溫拉伸、沖擊、斷裂韌度等力學(xué)性能達(dá)到相同牌號鍛件標(biāo)準(zhǔn)，提高成形件的綜合性能。

2、微鑄鍛銑復(fù)合增材制造大型復(fù)雜整體構(gòu)件形狀精度與殘余應(yīng)力控制
在等離子弧/電弧熔積成形過程中加入受迫成形，即在熔池附近配置萬能微型軋輥，其隨焊槍沿熔積軌跡作同步運動，約束熔融材料的流動，防止無支撐情況下熔融材料因重力產(chǎn)生的流淌，從而保證復(fù)雜形狀零件的可成形性；并利用產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力和壓縮塑性應(yīng)變狀態(tài)，細(xì)化晶粒、改善組織性能，同時減輕或消除熔池附近區(qū)域的拉應(yīng)力、減小變形與避免開裂，實現(xiàn)復(fù)雜形狀（懸臂特征或網(wǎng)格筋）和難成形材料零件的直接制造。通過優(yōu)化熔積、微鍛工藝參數(shù)控制熔積層應(yīng)力分布，實現(xiàn)等離子弧/電弧增材制造成形件殘余應(yīng)力減小和消除，滿足大型結(jié)構(gòu)件尺寸精度要求。

3、兼顧質(zhì)量、效率與精度的電弧增材制造成形路徑-熔積能量-塑性變形協(xié)調(diào)的數(shù)字化控制技術(shù)
增材制造生長方向的設(shè)計直接影響構(gòu)件的組織性能、成形性與效率，需要根據(jù)構(gòu)件材料組織性能、幾何拓?fù)湫畔ⅰ⒐に囂卣鞯刃畔�來綜合優(yōu)化設(shè)計。關(guān)于產(chǎn)品數(shù)字化集成制造的研究,目前國內(nèi)外研究者主要集中在基于幾何特征建模的CAD/CAM方面,尚缺乏面向零件控形控質(zhì)并行的制備成形一體化過程能量場、幾何運動學(xué)場、材料傳質(zhì)場的多特征綜合優(yōu)化智能設(shè)計與熱力-變形力-運動協(xié)調(diào)控制的研究,而此方面的研究是復(fù)合增材制件質(zhì)量保證的關(guān)鍵。因此，為滿足復(fù)雜承載流線的高性能構(gòu)件直接快速成形的需要，探究復(fù)合增材制造新工藝的成形路徑-熔積能量-塑性加工條件對復(fù)雜形狀零件成形性和組織性能的影響規(guī)律，把握電弧熔積-多向微鍛——分段銑削三工序在時間-空間-能量場三方面合理匹配的規(guī)則，建立電弧增材快速成形以及過程熱-運動-變形力協(xié)調(diào)集成控制的數(shù)字化模型，是實現(xiàn)高性能復(fù)雜零件直接制造兼顧質(zhì)量、效率與精度的主動控制關(guān)鍵技術(shù)。

4、微鑄鍛銑復(fù)合增材制造過程缺陷檢測與質(zhì)量在線診斷及缺陷在線修復(fù)

（1）開發(fā)紅外熔區(qū)溫度與激光視覺表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)。
采用被動式紅外檢測方法，利用紅外熱像設(shè)備實時監(jiān)測熔積層表面溫度場信息，開發(fā)溫度場堆疊等算法獲得實時熔積層紅外輪廓，寬度變化等信息，同時通過對表面異常溫度點的分析，識別熔積層氣孔等缺陷，最終建立基于多特征的在線檢測系統(tǒng)。通過對缺陷成形機(jī)理的研究，依據(jù)檢測結(jié)果動態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)以提高熔積質(zhì)量和精度。

采用不同模式（點陣和線陣）結(jié)構(gòu)激光照射熔積層表面，獲取熔積層表面反射圖像，設(shè)計相關(guān)圖像處理算法提取反映熔積層表面變化的特征信息，得到表面質(zhì)量信息，分析熔積層表面測量結(jié)果，與模型理想數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，動態(tài)調(diào)整以提高表面平整度及輪廓尺寸精度。

（2）構(gòu)建增材成形過程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。
對整個成形過程中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行模塊化控制，以實現(xiàn)制造過程的實時監(jiān)測。參數(shù)分布如圖1所示。對整體工件實時監(jiān)測其高度、溫度、表面形貌、變形量等，通過采集的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行對比，優(yōu)化制造軌跡，控制制造溫度與變形；根據(jù)軌跡代碼驅(qū)動運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動，實時監(jiān)測機(jī)構(gòu)運行狀況；以焊機(jī)為主體的熱源熔覆機(jī)構(gòu)，通過設(shè)定優(yōu)化的工藝參數(shù)信息，同時傳感器實時采集送絲速度、電壓、電流、氣體流量等工藝參數(shù)信息，并與設(shè)定參數(shù)對比，監(jiān)測成形過程中的穩(wěn)定性；對成型中的焊道形貌、焊道溫度、熔池形貌、熔池溫度進(jìn)行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)綜合處理，保證電弧及成型焊道的穩(wěn)定性；對微鑄鍛實時進(jìn)行APC與AGC結(jié)合的軋制控制，確保性能、形貌、變形的可控。

△增材成形質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的組成

5、多絲多槍等離子/電弧微鍛造柔性緊湊機(jī)構(gòu)研制
飛機(jī)承力框、鈦合金吊掛外后接頭皆為變壁厚復(fù)雜形狀零件，其制造策略為變方向自適應(yīng)切片與多姿態(tài)熔積軌跡。為保證微鍛造隨熔積成形軌跡同步運動且適應(yīng)制件飛機(jī)承力框、鈦合金吊掛外后接頭和工裝的幾何約束條件，需要設(shè)計可變自由度和加載方向的柔性緊湊加載機(jī)構(gòu)。

設(shè)計多向微鍛機(jī)構(gòu)可根據(jù)成形區(qū)相對于工件截面的形狀和位置，來自動設(shè)定工作輥的個數(shù)和加力方向，自由變更機(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)態(tài)和自由度，而且該機(jī)構(gòu)要隨工件斷面形狀的變化與數(shù)控機(jī)床及轉(zhuǎn)臺同步協(xié)調(diào)運動。

△微型變胞軋制機(jī)構(gòu)機(jī)械原理圖

△電弧微鑄鍛銑復(fù)合增材制造總體研究方案

三、主要創(chuàng)新性成果
1、研制了大型整體結(jié)構(gòu)等離子弧/電弧高效優(yōu)質(zhì)增材制造裝備
圖4為雙絲等離子弧熔絲增材制造裝備，由SBIPMI-500TL直流等離子電源、ThermacutPWM300等離子焊槍、ET2016送絲機(jī)、及自制雙送絲裝置等組成，100%ED時最大電流280A，60%ED時最大電流350A，可適用鈦合金、高強(qiáng)不銹鋼、超高強(qiáng)鋼材料。在非熱絲條件下，對鈦合金TC4、高強(qiáng)不銹鋼15-5PH、超高強(qiáng)鋼A-100進(jìn)行極限效率試驗，鈦合金TC4、超高強(qiáng)鋼A-100、高強(qiáng)不銹鋼15-5PH的增材成形效率分別為6.41kg/h、11.42kg/h、11.34kg/h。

△機(jī)床-機(jī)器人雙槍雙絲協(xié)同電弧熔絲增材制造裝備

2、開發(fā)了等離子弧/電弧增材制造過程控制和在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)
基于增材制造制件實時監(jiān)測結(jié)果，優(yōu)化制造軌跡，控制制造溫度與變形，同時傳感器實時采集送絲速度、電壓、電流、氣體流量等工藝參數(shù)信息，并與設(shè)定參數(shù)對比，監(jiān)測成形過程中的穩(wěn)定性；對成型中的焊道形貌、焊道溫度、熔池形貌、熔池溫度進(jìn)行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)綜合處理，保證電弧及成型焊道的穩(wěn)定性；對微鑄鍛實時進(jìn)行APC與AGC結(jié)合的軋制控制，確保性能、形貌、變形的可控。

△電弧增材工藝參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

四、應(yīng)用情況與效果
針對大型整體結(jié)構(gòu)，武漢天昱智能制造有限公司開展了等離子弧/電弧增材制造技術(shù)應(yīng)用驗證研究，突破大型整體結(jié)構(gòu)工藝毛坯優(yōu)化設(shè)計、變形控制、過程監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，形成工藝毛坯、工裝實物、工藝方案、樣件實物等研究成果，包括鈦合金TC4吊掛外后接頭樣件2件、超高強(qiáng)鋼A-100吊掛盒段底梁結(jié)構(gòu)樣件1件、鋁合金飛機(jī)承力框樣件1件、低碳鋼吊掛盒段底梁結(jié)構(gòu)模擬件1件、低碳鋼吊掛盒段底梁結(jié)構(gòu)模擬件1件。

△鈦合金TC4吊掛外后接頭和超高強(qiáng)鋼A-100鋼吊掛盒段底梁

△鋁合金飛機(jī)承力框

本項目研發(fā)的等離子/電弧熔積微鑄鍛銑復(fù)合增材制造新技術(shù)不僅為飛機(jī)框梁、吊掛盒段底梁及吊掛盒段的可靠長壽、節(jié)能省材、高效低成本、整體制造提供了可行的解決方法，而且可推廣用于航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、渦輪盤等部件的優(yōu)質(zhì)輕量化研發(fā)及生產(chǎn)。同時通過建立復(fù)合增材制造新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，實現(xiàn)批生產(chǎn)供應(yīng)，使我國大型高性能可靠性航空鍛件高效率增材制造技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。