544 工程科学学报，第42卷，第5期 以制造的扭转叶片，经过渗透探伤检测，发现表面 的钛合金涂层进行球磨处理，结果表明，涂层表面 无裂纹、孔隙或缺陷.该工艺在无润滑液和冷却 的拉应力变为压应力 液的条件下进行高温干铣，导致刀具、工件和废料 在上述混合制造技术中，等离子弧的优缺点 之间的摩擦力迅速增加，切削力的增加导致切削 与电弧相近，此处不再赘述；熔融沉积成形是塑料 能快速增加，工作区域温度升高，大大缩短了刀片 增材制造的主要工艺之一，但在使用强韧性较低 寿命.研究表明，采用风冷降温能显著减少刀具磨 的材料时易出现断丝现象：超声波增材制造受限 损，延长刀具寿命 于功率，只能用于厚度较小的箔材，对厚板或高强 Zhu等四整合了熔融沉积成形(FDM)、CNC 度材料固结效果不理想；冷喷涂工艺由于其众多 铣削、检测装置，在单一平台上以热塑性塑料为原 优势，近年来得到了广泛的研究与应用，该技术能 料制造零部件，成形过程中部件发生了变形和质 完成陶瓷、高分子、金属等多种材料的喷涂，冷喷 量降低.这是由于制造过程中部件被分解为逐个 涂与减材技术结合，将成为一种极具前景的混合 构建的多个子部件进而组合，沉积的新子部件 制造技术，对国防与航天领域的涂层制备至关 (205℃)与先前制造的子部件(20℃)之间的温差 重要. 引起残余应力，导致部件变形.该课题组后续将建 1.3增减材混合制造的工艺规划 立有限元分析(FEA)模型，期望根据不同的沉积模 工艺规划是指从识别、切分部件模型到生成 式和刀具路径模拟3D瞬态热传导和对流，预测变 加工序列，确定刀具路径、工艺参数的工艺设计方 形程度和零件公差.这项研究对于混合制造这种 法.增减材混合制造与传统的减材技术在工艺规 新兴工艺的优化至关重要 划上有很大的差别.首先，在减材过程中，利用刀 Fabrisonic公司的超声增材制造技术(UAM) 具减去整块坯料上多余的材料，直至达到目标形 是一种独特的金属增材制造技术2).UAM技术中 状和尺寸.如果零件的形状比较复杂，通过减材技 使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属 术加工出零件的各种特征不仅材料浪费多、耗时 层，从而完成金属部件的增材制造.该方法能够实 长，其刀具可达性也限制了减材零件的复杂程度 现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金 在细长杆刀具加工具有弯曲、狭窄空腔特征的零 属材料，如铝、铜、不锈钢和钛等.Fabrisonic的方 件（例如叶轮）时，刀具和特征很可能会发生碰撞， 法可以同时“打印”多金属材料，该工艺能够使用 该问题也限制了刀具的选择，并影响刀具对齐的 成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内 平滑性.但是，增减材混合制造在基板上先进行增 部通道的金属部件.UAM的制造过程为，使用频 材操作，随后再通过减材操作去除多余材料，通过 率高达20kHz的超声波施加在金属片上，用超声 合理的序列和路径优化，其刀具碰撞的可能性大 波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分 大降低，因此可以加工复杂度更高的零件.传统的 子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续焊接 增材和减材工艺规划通常是一个单调的过程，每 金属片.之后，通过机械加工来实现精细的3D形 一步增材减材的操作都会使工件在尺寸和形状上 状，从而形成坚实的金属物体 更接近目标状态.在这一过程中，工件在中间状态 冷喷涂是一种独特的增材制造工艺，利用高 下的大小会持续增加/减小，而不会回到上一步操 压气体将极细的粉末材料以超音速喷射到基板或 作的状态，在满足目标状态后程序即终止.而增减 目标工件表面，颗粒与零件表面扩散结合，以修复 材混合制造的工艺规划不同，增材与减材交替进 或成形零件.这种工艺无需熔化金属，从而避免了 行，工件的大小可能会变大或变小；与单向增减材 热应力与亚稳相的引入.但冷喷涂生产的复合材 料的工艺规划相比，混合制造的工艺规划可能会 料涂层由于过分的弥散强化丧失了大部分延展 出现反复添加和减去相同材料的周期，并可能无 性，这是由于增强颗粒分布不均以及涂层与基材 休止地循环2 之间存在明显的界面.Peat等为改善这一问题， 工艺规划会从多方面影响成形件的性能、尺 研究了冷喷涂与搅拌摩擦处理相结合的工艺.研 寸精度和几何精度.首先是模型文件的切片策略： 究表明，搅拌摩擦处理产生的剪切力大幅细化了 分层厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好， 增强颗粒，其分布更加均匀.此外，晶界偏聚物也 总体成形时间越长.其次是工艺参数的选择：能量 在处理后分散.处理后的涂层硬度增加了120%， 源的功率和成形速度决定了热历史，热历史会影 抗腐蚀性能也大幅改善.Courbon等2对冷喷涂 响熔池的几何形状，而熔池形状过大或过小都会以制造的扭转叶片，经过渗透探伤检测，发现表面 无裂纹、孔隙或缺陷. 该工艺在无润滑液和冷却 液的条件下进行高温干铣，导致刀具、工件和废料 之间的摩擦力迅速增加，切削力的增加导致切削 能快速增加，工作区域温度升高，大大缩短了刀片 寿命. 研究表明，采用风冷降温能显著减少刀具磨 损，延长刀具寿命. Zhu 等[22] 整合了熔融沉积成形（FDM）、CNC 铣削、检测装置，在单一平台上以热塑性塑料为原 料制造零部件，成形过程中部件发生了变形和质 量降低. 这是由于制造过程中部件被分解为逐个 构建的多个子部件进而组合，沉积的新子部件 （205 ℃）与先前制造的子部件（20 ℃）之间的温差 引起残余应力，导致部件变形. 该课题组后续将建 立有限元分析（FEA）模型，期望根据不同的沉积模 式和刀具路径模拟 3D 瞬态热传导和对流，预测变 形程度和零件公差. 这项研究对于混合制造这种 新兴工艺的优化至关重要. Fabrisonic 公司的超声增材制造技术（UAM） 是一种独特的金属增材制造技术[23] . UAM 技术中 使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属 层，从而完成金属部件的增材制造. 该方法能够实 现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金 属材料，如铝、铜、不锈钢和钛等. Fabrisonic 的方 法可以同时“打印”多金属材料，该工艺能够使用 成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内 部通道的金属部件. UAM 的制造过程为，使用频 率高达 20 kHz 的超声波施加在金属片上，用超声 波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分 子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续焊接 金属片. 之后，通过机械加工来实现精细的 3D 形 状，从而形成坚实的金属物体. 冷喷涂是一种独特的增材制造工艺，利用高 压气体将极细的粉末材料以超音速喷射到基板或 目标工件表面，颗粒与零件表面扩散结合，以修复 或成形零件. 这种工艺无需熔化金属，从而避免了 热应力与亚稳相的引入. 但冷喷涂生产的复合材 料涂层由于过分的弥散强化丧失了大部分延展 性，这是由于增强颗粒分布不均以及涂层与基材 之间存在明显的界面. Peat 等[24] 为改善这一问题， 研究了冷喷涂与搅拌摩擦处理相结合的工艺. 研 究表明，搅拌摩擦处理产生的剪切力大幅细化了 增强颗粒，其分布更加均匀. 此外，晶界偏聚物也 在处理后分散. 处理后的涂层硬度增加了 120%， 抗腐蚀性能也大幅改善. Courbon 等[25] 对冷喷涂 的钛合金涂层进行球磨处理，结果表明，涂层表面 的拉应力变为压应力. 在上述混合制造技术中，等离子弧的优缺点 与电弧相近，此处不再赘述；熔融沉积成形是塑料 增材制造的主要工艺之一，但在使用强韧性较低 的材料时易出现断丝现象；超声波增材制造受限 于功率，只能用于厚度较小的箔材，对厚板或高强 度材料固结效果不理想；冷喷涂工艺由于其众多 优势，近年来得到了广泛的研究与应用，该技术能 完成陶瓷、高分子、金属等多种材料的喷涂，冷喷 涂与减材技术结合，将成为一种极具前景的混合 制造技术，对国防与航天领域的涂层制备至关 重要. 1.3    增减材混合制造的工艺规划 工艺规划是指从识别、切分部件模型到生成 加工序列，确定刀具路径、工艺参数的工艺设计方 法. 增减材混合制造与传统的减材技术在工艺规 划上有很大的差别. 首先，在减材过程中，利用刀 具减去整块坯料上多余的材料，直至达到目标形 状和尺寸. 如果零件的形状比较复杂，通过减材技 术加工出零件的各种特征不仅材料浪费多、耗时 长，其刀具可达性也限制了减材零件的复杂程度. 在细长杆刀具加工具有弯曲、狭窄空腔特征的零 件（例如叶轮）时，刀具和特征很可能会发生碰撞， 该问题也限制了刀具的选择，并影响刀具对齐的 平滑性. 但是，增减材混合制造在基板上先进行增 材操作，随后再通过减材操作去除多余材料，通过 合理的序列和路径优化，其刀具碰撞的可能性大 大降低，因此可以加工复杂度更高的零件. 传统的 增材和减材工艺规划通常是一个单调的过程，每 一步增材/减材的操作都会使工件在尺寸和形状上 更接近目标状态. 在这一过程中，工件在中间状态 下的大小会持续增加/减小，而不会回到上一步操 作的状态，在满足目标状态后程序即终止. 而增减 材混合制造的工艺规划不同，增材与减材交替进 行，工件的大小可能会变大或变小；与单向增/减材 料的工艺规划相比，混合制造的工艺规划可能会 出现反复添加和减去相同材料的周期，并可能无 休止地循环[26] . 工艺规划会从多方面影响成形件的性能、尺 寸精度和几何精度. 首先是模型文件的切片策略： 分层厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好， 总体成形时间越长. 其次是工艺参数的选择：能量 源的功率和成形速度决定了热历史，热历史会影 响熔池的几何形状，而熔池形状过大或过小都会 · 544 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期