張海鷗 黃 丞 李潤聲 張 華 陳君文 馮抗屯 王桂蘭

1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，4300742.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，4300813.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長沙，4102004.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430074

0 引言

少污染、省資源、和諧可持續(xù)是全球生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求，這使綠色設(shè)計(jì)制造的理念受到廣泛關(guān)注。綠色制造也被《中國制造2025》列為五大工程之一，增材制造因具有制造周期短、省材節(jié)能、污染小等優(yōu)點(diǎn)，故作為一種新型綠色制造方式，也同時(shí)被列為《中國制造2025》重要研究內(nèi)容。

綠色設(shè)計(jì)也稱生態(tài)設(shè)計(jì)，是一種全新的設(shè)計(jì)理念，它不同于傳統(tǒng)的過度以人為中心的設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)中同時(shí)關(guān)注資源的利用、能源的消耗，以及對環(huán)境的影響[1]。綠色設(shè)計(jì)與制造是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造除具有可制造復(fù)雜形狀和梯度材料零件等優(yōu)勢外，還具有顯著的綠色制造特征：①變“減材”為“增材”，提高了材料利用率；②可進(jìn)行輕量化省材的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；③替代部分有模鑄造，省材節(jié)能少污染。因增材制造采用粉末、絲等材料和逐點(diǎn)成形的方式，且無鍛造過程，故亦可看成是一種成本較高、效率較低的綠色數(shù)字化無模鑄造成形方法。

本文在分析綠色設(shè)計(jì)制造核心思想和增材制造技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出高端金屬零件超短流程綠色制造新模式，并分析研究了該模式所具有的省材節(jié)能少污染的綠色制造特點(diǎn)及相應(yīng)效果。

1 綠色設(shè)計(jì)制造理念在增材制造中的體現(xiàn)

增材制造的諸多特點(diǎn)契合綠色設(shè)計(jì)制造的核心思想，采用綠色設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)可分析綠色設(shè)計(jì)制造理念在增材制造中的體現(xiàn)。

(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綠色設(shè)計(jì)制造要求盡量減小產(chǎn)品體積，即減少所用的材料。增材制造采用分層堆積的方式進(jìn)行成形，將三維模型降為二維進(jìn)行制造，理論上可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，為輕量化拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造提供了可能?？湛虯380機(jī)翼翼梁采用拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，減重效果達(dá)到了45%，而減重后的不規(guī)則拓?fù)湫螤钐貏e適合采用增材制造方法成形。

(2)材料選擇。綠色設(shè)計(jì)制造要求材料在性能符合設(shè)計(jì)要求的同時(shí)對環(huán)境盡量友好。如德國EOS公司研發(fā)了聚醚醚酮高性能材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)到95 MPa[3]；采用碳纖維等高強(qiáng)纖維復(fù)合材料，德國寶馬車身減重40%；通過增材制造方式制造功能梯度材料零件，可以滿足極端使役條件下的工作要求；另外還可選用生物材料、有機(jī)高分子材料等綠色材料。

(3)產(chǎn)品資源與環(huán)境設(shè)計(jì)。綠色設(shè)計(jì)制造要求對環(huán)境影響小，資源消耗少。增材制造流程短、集成度高，能與銑削、壓力加工、高速噴涂等技術(shù)復(fù)合，從而衍生出更為豐富的工藝技術(shù)。在制備貴重金屬零件尤其是薄壁零件時(shí)，相較于常規(guī)加工中對毛坯件的大規(guī)模耗時(shí)耗刀具的銑削加工方法，采用增材制造方法可實(shí)現(xiàn)直接成形或凈近成形[4]，毛坯余量小，材料利用率高，制造成本低，可以極大地減少資源與時(shí)間的浪費(fèi)。

2 超短流程綠色制造新方法

近年來，伴隨著航空航天、艦艇、核能及高鐵行業(yè)的飛速發(fā)展，各類高性能金屬零件的需求大幅增加。現(xiàn)有金屬零件增材制造實(shí)現(xiàn)方法雖然很多，但是能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的并不多，特別是高端關(guān)鍵金屬承力件因?qū)ζ渲旅芏群土W(xué)性能(尤其是疲勞性能)有著嚴(yán)格的要求，僅采用常規(guī)增材制造方法很難達(dá)到要求，需要通過傳統(tǒng)有效的鑄鍛技術(shù)來獲得滿足性能要求的制件。此類高端金屬鍛件的傳統(tǒng)制造工藝流程如下：鑄造、反復(fù)鍛造及熱處理、拼焊、粗加工、精加工、后熱處理等，生產(chǎn)流程及周期長，材料利用率低，資源消耗大。

中國是世界上鑄件產(chǎn)量最高的國家，每年為4 000～5 000萬噸[5]，鑄造行業(yè)能耗巨大，約占機(jī)械工業(yè)總耗能的25%～30%?？傮w上，我國在鑄造業(yè)技術(shù)指標(biāo)上與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，鑄件生產(chǎn)的平均能耗較工業(yè)發(fā)達(dá)國家高出一倍多，污染排放量大，成品率約70%，且加工余量大，加工后成品率甚至不足60%，導(dǎo)致資源綜合利用率低。

傳統(tǒng)鍛造工藝過程一直以高能耗、高污染著稱，其能耗約占機(jī)械工業(yè)總耗能的25%，而高性能大型金屬鍛件的鍛造過程依賴重型鍛壓機(jī)，鍛壓機(jī)根據(jù)傳動(dòng)形式可分為水泵式和液壓式兩種，液壓的作用過程基于靜壓傳遞，能量轉(zhuǎn)換形式為電能—機(jī)械能—液壓能—機(jī)械能—變形能，能量轉(zhuǎn)換過程冗長，有效轉(zhuǎn)換率低下[6]。

長期以來，國內(nèi)外制造業(yè)雖對耗材耗能重污染的傳統(tǒng)鑄鍛行業(yè)進(jìn)行了大量綠色節(jié)能化改造，但因未能從頂層上對制造流程整體進(jìn)行綠色化優(yōu)化，大都只對各單元工序進(jìn)行了一定程度的節(jié)能減排及優(yōu)化處理，雖有局部效果，但總體成效不顯著。華中科技大學(xué)發(fā)明的“智能微鑄鍛銑復(fù)合制造”技術(shù)，將高效低成本的電弧微鑄增材成形與連續(xù)微鍛等材成形同步復(fù)合，并在同工位集成了銑削減材成形方法，改變了傳統(tǒng)的鑄鍛焊銑多工序分步、依賴鑄鍛銑多臺(tái)重裝備的制造長流程，實(shí)現(xiàn)了以一臺(tái)鑄鍛銑合一裝備及超短流程工藝制造零件的技術(shù)變革。該技術(shù)基本原理如圖1所示：以邊鑄邊鍛的成形方式，在成形材料的半凝固/剛凝固微區(qū)對其進(jìn)行同步連續(xù)微鍛造，使其晶粒細(xì)化，得到傳統(tǒng)鍛造很難得到的均勻等軸細(xì)晶，并改善成形性及成形件形貌，使其力學(xué)性能達(dá)到或超過傳統(tǒng)鍛造的性能水平；此外，在同一設(shè)備工位不變的情況下，采用數(shù)控銑削方式去除后續(xù)難加工及缺陷等部分。該工藝方法凸顯了增材制造可成形復(fù)雜形狀、材料利用率高、機(jī)械加工余量小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大中型高性能金屬鍛件的超短流程、低能耗、低成本的綠色制造[7]。

圖1 微鑄鍛銑原理圖Fig.1 Principle of micro casting forging and milling

智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)鋼、奧貝鋼、碳鋼、鋁合金等材料零件的綠色低能耗短流程制造。

以筆者所在團(tuán)隊(duì)采用微鑄鍛銑技術(shù)制造的航空過渡段零件(材料為45鋼)為例進(jìn)行說明。圖2為試樣熔池中部在100 倍光學(xué)顯微鏡下的金相圖，其中，X為熔積方向，Y為不同熔積焊道的搭接方向，Z為高度生長方向，可見電弧微鑄鍛工藝成形由于微軋制的作用，試樣晶粒尺寸得到很好的細(xì)化，形態(tài)更為均勻，呈等軸晶狀，達(dá)到鍛件微觀組織形態(tài)。

(a)X向截面

(b)Y向截面

(c)Z向截面圖2 微鑄鍛銑試樣三向截面金相圖Fig.2 Three-phase cross-section metallography of micro casting forging and milling specimens

樣件力學(xué)性能見表1，其性能參數(shù)[8]均超過了鍛件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 45鋼樣件性能參數(shù)

3 制造過程能耗分析

以一航空起落架外筒零件為例，比較微鑄鍛銑復(fù)合制造方法與傳統(tǒng)制造方法的能源消耗。該零件的形狀結(jié)構(gòu)如圖3a所示，結(jié)構(gòu)為近似扁平翼形，內(nèi)部具有空腔，且具有多安裝位，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3.1 傳統(tǒng)制造過程能源消耗

該零件傳統(tǒng)制造流程為造型—澆注—熱處理、四次自由鍛—回火—四次模鍛—熱處理、銑削—熱處理—檢測等，工序多且分散，依賴大型鑄鍛設(shè)備及多副模具，制造流程及周期很長，往往需要半年甚至更長時(shí)間才能完成。從鍛坯到零件的制造過程中銑削去除量大，達(dá)到80%以上，且銑削去除部分很多乃鍛造質(zhì)量更佳的外部區(qū)域，可能因此導(dǎo)致零件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而降低零件成品率。

起落架外筒零件材料為30CrMnSiNi2A合金，密度為7.89×103kg/m3，澆注的鑄坯質(zhì)量為800 kg，切除冒口及上下邊后最終尺寸為φ360 mm×850 mm，質(zhì)量為680 kg，零件最終質(zhì)量為82.1 kg，根據(jù)重量計(jì)算材料利用率為10%。

將此鑄坯加熱后采用24.50 MN(2 500 t)快鍛機(jī)或15.68 MN(1 600 t)水壓機(jī)分四火四工步分別進(jìn)行鐓粗、拔長和壓扁等自由鍛工序，冷卻后進(jìn)行吹砂打磨除去表面缺陷，再通過630 kJ的對擊錘設(shè)備進(jìn)行模鍛，分四火重?fù)舫尚?，終鍛溫度不低于850 ℃，最后經(jīng)熱處理及機(jī)加工得到最終鍛坯，其基本形狀與尺寸如圖3b所示。

(a)外筒零件 (b)鍛坯尺寸圖3 外筒零件結(jié)構(gòu)及鍛坯尺寸示意圖Fig.3 Structural diagram of outer cylinder parts and dimension diagram of forged billet

終鍛坯件的機(jī)加工工藝流程為粗加工—超聲波檢測—消除應(yīng)力—精加工—最終熱處理—無損檢測—精加工—表面防護(hù)等。

由于鑄造、鍛造和銑削過程本身均為復(fù)雜的多工序制造過程，涉及的設(shè)備繁多，其能量模型難以通過準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)，且難以測量每一工步的具體實(shí)際能量消耗，故在本文中，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)的鑄造與鍛造行業(yè)單位產(chǎn)量的平均能耗來估算零件的生產(chǎn)能耗。

據(jù)2010年統(tǒng)計(jì)資料，我國鑄鐵生產(chǎn)平均能耗[9]為610 kg(每鑄造一噸鑄鐵所需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤的千克數(shù))，“十三五”計(jì)劃在2020年將該數(shù)值降至400 kg，根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GBT 2589—2008)，每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量為29 307 kJ。據(jù)此估算鑄造毛坯能耗

E1=400×29 307×0.8=9.38×106(kJ)

據(jù)Carbon Trust統(tǒng)計(jì)資料[10]，鍛造行業(yè)單位產(chǎn)量能量消耗值為3.53 kW·h/kg，據(jù)此估算此鍛坯生產(chǎn)過程能耗

E2=680×3.53 =8.64×107(kJ)

銑削過程能耗計(jì)算可以通過直接能量法和能量模型法來計(jì)算。直接能量法考慮加工過程中各個(gè)模塊的實(shí)際能耗累加，包括機(jī)床空載、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)、工具系統(tǒng)(切削液、照明、冷卻)、伺服系統(tǒng)等模塊，即

Etotal=Espindle+Efeed+Etool+Ecool

式中，Etotal為機(jī)床總能耗；Espindle為主軸能耗；Efeed為進(jìn)給能耗；Etool為工具系統(tǒng)能耗；Ecool為冷卻系統(tǒng)能耗。

能量模型法主要是基于切削去除率和機(jī)床特征參數(shù)建立機(jī)床的能耗模型，其中文獻(xiàn)[11]建立了單位切削能耗模型：

式中，Ecut為單位體積切削能耗；ηMRR為材料去除率；k為系數(shù)常量；b為固定比能。

k、b與切削參數(shù)相關(guān)，需通過實(shí)驗(yàn)確定。

E3=ESECΔV=ESEC(mend-mstart)/ρ=3.20×105kJ

式中，ΔV為零件去除體積;mstart為銑削開始前質(zhì)量；mend為銑削完成后質(zhì)量；ρ為材料密度。

3.2 微鑄鍛銑過程能源消耗

微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)基于逐層堆積凈近成形方式，預(yù)留加工余量小，材料利用率可達(dá)80%；在微鑄堆積成形的同時(shí)，微型軋輥實(shí)時(shí)熱鍛，工序緊湊高效，無需大型設(shè)備。輔助以在線視覺形貌檢測與紅外內(nèi)部缺陷監(jiān)測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并去除內(nèi)部及表面缺陷，避免成形完成后由于出現(xiàn)內(nèi)部缺陷及形狀尺寸的超差而導(dǎo)致零件報(bào)廢，大大提高了零件的合格率。

對于微鑄鍛銑技術(shù)，微鑄過程由電弧融化凝固過程演變而來，實(shí)質(zhì)上是將金屬絲材通過電弧進(jìn)行加熱融化并按照預(yù)先規(guī)劃好的軌跡逐層堆積成形的過程；微鍛過程是在微鑄的同時(shí)通過軋輥對剛凝固熔積層進(jìn)行連續(xù)鍛壓，使其產(chǎn)生塑性變形。采用課題組自主開發(fā)的復(fù)合增減材路徑規(guī)劃軟件對外筒零件CAD模型進(jìn)行分層切片路徑規(guī)劃(圖4)，進(jìn)而得到每層的數(shù)控G代碼，再通過五軸數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)焊槍與軋制系統(tǒng)成形零件。

圖4 零件路徑規(guī)劃示意圖Fig.4 Schematic diagram of path planning

微鑄鍛過程能耗可以分為焊機(jī)能耗與機(jī)床能耗兩個(gè)部分。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際功耗由YOKOGAVA WT1800高性能功率分析儀測定，F(xiàn)ronius VR7000-CMT焊機(jī)和微鑄鍛五軸數(shù)控平臺(tái)的功率分析曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 Fronius VR7000-CMT焊機(jī)功率曲線Fig.5 Power curve of Fronius VR7000-CMT

圖6 數(shù)控平臺(tái)功率曲線Fig.6 Power curve of numerical control platform

采用微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)凈近成形外筒零件，毛坯單邊余量為3 mm，打印毛坯體積為1.5×107mm3，質(zhì)量為118.3 kg，材料利用率高達(dá)69.3%，為傳統(tǒng)工藝材料利用率(10.3%)的6.7倍。熔積過程設(shè)備參數(shù)見表2，微鑄過程焊機(jī)能耗由熔積與空載兩部分組成，其計(jì)算公式為

式中，P1為焊機(jī)工作功率；t1為焊機(jī)工作時(shí)間；P2為焊機(jī)空載功率；t2為焊機(jī)空載時(shí)間。

表2 電弧微鑄鍛銑焊機(jī)參數(shù)

實(shí)測焊機(jī)工作功率為8.1 kW，空載功率0.3 kW，根據(jù)G代碼中堆焊與空載分別對應(yīng)的軌跡長度及其進(jìn)給速度計(jì)算對應(yīng)堆焊與空載時(shí)間，得焊機(jī)堆焊工作時(shí)間為1.3×105s，空載時(shí)間為0.3×105s，理論制造總時(shí)間為1.6×105s，僅為45 h，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)1～2月的制造全生產(chǎn)周期，據(jù)此計(jì)算焊機(jī)能耗

E4=(8.1×103)×(1.3×105)+(0.3×103)×

(0.3×105)=1.06×106(kJ)

打印過程主軸無運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)床參數(shù)如表3所示。機(jī)床能耗主要由X、Y、Z方向電機(jī)產(chǎn)生，電機(jī)在機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)改變時(shí)，往往會(huì)存在功率先增大后減小再穩(wěn)定的過程，故需要對機(jī)床的功率曲線進(jìn)行積分運(yùn)算得到實(shí)際能耗。軋制機(jī)構(gòu)集成在機(jī)床控制系統(tǒng)中，由機(jī)床供電運(yùn)行，用于完成對熔積層的連續(xù)鍛壓。實(shí)測機(jī)床行走功率為2.3 kW，空載功率1.7 kW。機(jī)床功率積分計(jì)算模型如下：

(2)

式中，P3為數(shù)控平臺(tái)功率；t3為數(shù)控平臺(tái)運(yùn)行時(shí)間。

表3 電弧微鑄鍛銑機(jī)床參數(shù)

打印全過程數(shù)控平臺(tái)功率對時(shí)間進(jìn)行積分計(jì)算得到機(jī)床能耗E5=4.5×105kJ。

銑削過程，對機(jī)床能耗進(jìn)行測定，其功率曲線如圖7所示。由于3D打印為凈近成形，坯料加工余量小，故切削深度取0.5～1 mm，進(jìn)給速度為600～1 200 mm/min，測試計(jì)算得到單位體積切削比能為5.1 J/mm3。

圖7 數(shù)控平臺(tái)銑削功率曲線Fig.7 Milling power curve of NC platform

計(jì)算銑削過程能耗

E6=ESECΔV=ESEC(mend-mstart)/ρ=2.3×104kJ

3.3 結(jié)果對比及分析

傳統(tǒng)制造工藝各工步能耗與微鑄鍛銑能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

由對比結(jié)果可知，對于此外筒零件，采用傳統(tǒng)制造方法的能耗為采用微鑄鍛銑技術(shù)的33.3倍，材耗為微鑄鍛銑技術(shù)的6.7倍，生產(chǎn)周期由數(shù)月縮短至數(shù)天，節(jié)能減排效果十分顯著。若再考慮零件實(shí)際鑄造鍛造銑削加工全部過程中不足70%的制造合格率與模具的制造成本及周期，微鑄鍛銑技術(shù)的優(yōu)勢將會(huì)進(jìn)一步彰顯。

表4 傳統(tǒng)制造工藝與微鑄鍛銳復(fù)合制造工藝能耗對比結(jié)果

各個(gè)能耗模塊中微鍛過程的節(jié)能效果最為明顯，其能耗不足傳統(tǒng)鍛造的百分之一。原因在于微鍛過程在成形的同時(shí)使用了不足傳統(tǒng)鍛造壓力千分之一的連續(xù)微型軋制力，微型軋制力一方面保證熔積表面的成形精度，另一方面逐層消除熔積層內(nèi)部冶金微孔及缺陷、細(xì)化晶粒、將自由增量成形柱狀晶改變?yōu)殄懺鞈B(tài)的等軸細(xì)晶，從而提高成形質(zhì)量和組織均勻一致性及穩(wěn)定性，得到高強(qiáng)韌性、高疲勞壽命、高可靠性的高端金屬鍛件。無需像傳統(tǒng)鍛造那樣多次反復(fù)加熱鍛壓，極大地減小了能耗，提高了生產(chǎn)效率，并擺脫了對大型鍛壓機(jī)的依賴。

4 結(jié)論

本文在綜合分析傳統(tǒng)制造和微鑄鍛銑復(fù)合制造兩種方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)保特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以飛機(jī)起落架外筒零件為例，建立了微鑄鍛銑復(fù)合制造的能耗模型，分別計(jì)算對比了兩種方法的能耗、材料損耗以及生產(chǎn)周期。研究結(jié)果表明：前者能耗為后者的33.3倍，材耗為后者的6.7倍，后者的生產(chǎn)周期縮短至數(shù)天。微鑄鍛銑技術(shù)將重裝長流程分離的鑄鍛焊削多單元制造集成至一個(gè)輕裝短流程省資源綠色制造單元內(nèi)，僅用一臺(tái)設(shè)備完成由絲材到零件的全周期制造，大大降低了設(shè)備投資、運(yùn)行和原材料成本。綜合結(jié)果顯示：本項(xiàng)微鑄鍛銑復(fù)合制造方法是一種超短流程、極低能耗/材耗/污染的新型綠色制造方法。