增减材复合制造能量输入对零件材料性能的影响研究

This project aims at improving part quality and geometric accuracies through restricting energy input into Additive/subtractive hybrid manufacturing (A/SHM) process. It investigates the effect of the A/SHM process parameters on part quality and geometric accuracies, which provides a theoretical basis for the development of A/SHM. In fabricating a maraging steel part with A/SHM, how the additive and subtractive processes define part quality and geometric accuracies. The project develops a thermo-mechanical model to describe the additive process, and investigates defects and thermal stresses in the part in terms of laser energy density to provide a direction for the subsequent subtractive process. Dry cutting is applied to maraging steel under the influence of residual heat which has an effect on cutting force and surface integrity of the part as well as temperature range for cutting. Optimization is conducted on laser scan and cutter traveling paths, timing and region for the subtractive machining based on the real-time temperature feedback. The project is of great significance for improving the complex part manufacturing technology in the aerospace, aeronautics, automotive and mould-making industries.

本项目对增减材复合制造(A/SHM)中的零件控形控性方法进行研究，提出控制增材制造和减材加工中的能量输入以保证A/SHM零件精度和性能的新思路，研究A/SHM工艺参数对零件材料性能的作用规律，为A/SHM一体化制造技术的发展提供理论依据。研究在A/SHM制造马氏体时效钢零件过程中，增材制造和减材加工的复合工艺对缺陷、热应力及零件表面完整性的影响规律。通过增材制造实验和理论分析，建立增材制造热力耦合数值模型，研究激光输入能量密度对缺陷和热应力的影响，为确定减材加工区域提供依据。在增材余热条件下对马氏体时效钢进行干切削，研究余热温度和工艺参数对切削力、切削热和零件表面完整性的影响，从而确定切削工件容许温度。对A/SHM工艺路径进行规划，根据实时检测的工件温度，优化A/SHM的能量输入，确定减材加工的区域和时机。该项目对促进A/SHM制造技术在航空航天、汽车和模具制造领域的应用具有重要意义。

增材减材制造(Additive/Subtractive Hybrid Manufacturing, A/SHM)结合了增材和减材两种工艺，既可以通过控制增材工艺参数成形复杂的几何结构并对零件晶粒组织进行一定调控，又可以通过减材工艺保证零件的精度和表面质量，适用于制造复杂几何特征的零件，在航空、航天、汽车等领域有广泛的应用前景。本项目针对激光增材制造工艺中存在缺陷的问题，研究了成形件内部缺陷产生规律，利用多元线性回归方法建立了孔隙度与工艺参数之间的关系模型，其相关系数达93.04%，并开发了增材制造缺陷数据库管理系统。提出耦合粉末尺度下的铺粉模型、中尺度下的温度场模型和粉末尺度下的熔池流体力学模型的多尺度建模方法，研究了不同粗糙度底面导致的熔道形貌和熔池流动行为，结果显示增材表面粉末更密实，但其润湿性更差，更易产生球化效应。建立了FEM-CA-MC模型，成功模拟出增材制造过程中重熔和固态晶粒粗化现象，基于该机理和模型预测结果设计了晶粒组织调控工艺实验，可以实现对单道多层LENS增材工件晶粒形态及尺寸一定程度的调控。本项目提出了将涡流检测(Eddy Current Detection, ECD)与A/SHM工艺相结合的制造及缺陷检测方法，确定了最佳激励频率为100kHz，随着增材余温的增加，信号电抗值近线性增加，且随着缺陷尺寸的增加ECD信号强度增加，证实了利用涡流进行缺陷检测的可行性。针对实际铣削过程中出现的刀具磨损形貌，建立了基于磨粒、粘结、扩散磨损机理及热力耦合作用的正反馈Simulink仿真模型，对铣刀后刀面磨损带长度进行了定量预测，整体预测误差在22%以下。A/SHM工件残余应力是增材和减材工艺共同作用的结果, 初始增材残余应力在近表面深度范围均为拉应力，侧铣主要受后刀面犁耕作用影响，在加工表面引入压应力；随着径向切深的增加，铣削残余压应力逐渐增加，当铣削引入残余压应力足够大时，可以将A/SHM工件表面整体残余应力转变为压应力。本项目结合实验与仿真研究了增材过程中缺陷产生的原因，并集成涡流检测技术到A/SHM工艺中，将缺陷检测与去除结合起来，为增材制造获得高精度，高质量的工件提供理论指导。