快速成形技术发展

快速成形技术发展（精选九篇）

快速成形技术发展 篇1

快速成型技术(Rapid prototyping,RP),也称“快速原型制造技术”,首先基于计算机辅助设计软件得到的三维离散化实体模型,并在成形机的控制下,将材料进行层层堆积,以降维手段直接生产样件或零件,与传统制造技术相反,属于增材制造技术。

快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的一种高新制造技术,主要用于非金属材料的成型制造,近年来,随着RP技术的逐渐成熟,该技术逐渐向快速成形技术(Rapid forming,RF)进行过渡,以达到实现功能金属零件直接成形的目的。目前,RF技术已经引起了国内外的高度重视,且各国政府也不断加大对这项技术研究 的力度和 支持,并在交通、医疗、军事、教育等许多行业中都得到了广泛应用[1]。

根据这项技术的不同特点,研究者对它的命名也不同, 如“增材制造技术”、“3D打印”、“添加层制造”、“实体自由制造”等。根据不同连接方式分类,主要有粘结、烧结、光固化和熔化堆积(焊接)这4大类,目前,研制成功的快速成形技术有光固化成型技术、分层实体制造技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧 结技术、激光熔覆 近成形等 技术[1,2]。其中,前3种技术一般只用于非金属材料,随着技术的不断发展,也可用于金属的制造,但是仍然存在着组织致密性、尺寸精确度、表面粗糙度、力学性能等方面的问题,需要后续一些处理来达到某些要求。经研究发现,基于焊接的快速成形技术在一定程度上能够直接达到这些要求,大大减少了后续处理的工作量,在用于直接制造实际生产中的机械零件中,体现出很大的优势。因此,基于焊接的快速成形技术引起了国内外许多科研机构的浓厚兴趣,并成为目 前的一个 研究热点。

1焊接快速成形技术的原理与特点

焊接快速成形技术首先通过计算机进行三维建模或三维实体扫描得到模型,并选择在模型 某一厚度 方向进行 分层,得到每一层的二维薄层面的数据文件,成形机再依据每层的数据文件,按照预设的成形轨迹,通过不同的焊接方法自下而上完成每一层的成形,最终逐层堆积成实体零件的制造技术。

焊接快速成形技术具有以下特点[3,4,5,6]:

(1)高度柔性。焊接快速成形技术最突出的特点就是柔性好,成形零部件的形状不受专用工具(或型腔)的限制;焊接成形零件几乎不受尺寸、质量及复杂程度的限制,自由成形制造;此外,并不受场所限制,如果运输不便,可以在用户现场进行。

(2)技术高度集成。焊接快速成形技术是焊接技术、数控加工技术、计算机技术与材料技术等的综合集成,实现设计制造一体化。

(3)生产成本低。焊接成形零件的废料少,焊材的利用率达到80%以上,是一种环保型制造技术;生产原型零件时, 无需制造模具,节省了生产前的大量投资,尤其在制作形状复杂且只需单件或小批量生产的零件时的优势更加明显。

(4)生产效率高。焊接快速成形技术的一个重要特点就是生产效率高。由于焊接快速成形技术建立在自动化生产柔性的基础上,从模型设计到零件加工完成时间大大缩短, 且不需要模具的加工时间;此外,成形零件只需要少量的机加工。

2焊接快速成形国内外研究现状

目前,国内外对焊接快速成形的研究结合了焊接快速成形工艺和焊接快速成形系统两个方面。根据不同零件的性能及材料的特性,选择不同的焊接方法来制造零件,主要有钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极气体焊(GMAW)、等离子弧焊 (PAW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)为热源的焊接快速成形技术。

由于其焊接方法的不同,各成形技术的特点和适用范围也存在着一定的差异,表1简单归纳了各技术的特点并总结了当前焊接快速成形技术的研究焦点。

2.1基于GMAW/GTAW的快速成形技术

国外对基于GMAW/GTAW的快速成形技术的研究可以追溯至20世纪80年代。美国Babcock&Wilcox公司在20世纪80年代末开发出了GMAW和等离子MIG混合焊接快速成形技术[7]。1992年,英国Rolls-Royce公司联合克兰菲尔德大学开发出GMAW/GTAW焊接快速成形系统,并成功应用于Trent800、Boeing777发动机零部件的生产[8,9]。

基于GMAW的快速成形技术具有结构简单、生产效率高等优点,但是同时也有热输入大、成形精度低的缺点,针对这些缺点,研究者们做了相应的研究来解决这一问题。

Kovacevic R等[10,11,12]设计出全新的脉动送丝成形系统, 实现了送丝频率和焊接同流同步,并对成形工艺进行改进, 研究得到一种名为“一个脉冲一滴”的方法,通过该方法能够更好地控制熔滴的大小、过渡速率和热输入,以期实现分层制造。国内,杨世彦等[13]也研究了脉动送丝GMAW快速成形技术,通过多组单道单层焊的实验对比,最终选用焊丝直径1.2mm,送丝速度1.95~2.10m/min,电流35~40A的工艺参数,较好地成形了圆形壁件。

1996年,Ribeiro等[14]设计出一 套基于机 器人GMAW的焊接快速 成形系统,并成功制 造出精度 较好的成 形件。 1998年,英国诺丁汉大学的J.D.Spencer等[15]提出了基于机器人GMAW三维焊接成形的方法,并对单层多道焊成形件层间粘结强度进行了分析,提出凹凸结合的“两次螺旋堆积”这种有效增强粘结强度的连接方法。国内,华中科技大学的周龙早、刘顺洪等[16,17]也对基于焊接机器人的快速成形工艺的前期模型切片处理以及扫描路径规划算法进行了研究,发现复杂零件选用轮廓偏移和分区扫描相结合的规划方式得到的实体更精确,并完成了用于焊接机器人快速成形软件的编写,这种集成机器人系统之后的快速成形技术能够较灵活且精确地控制成形路径,进而提高了其成形的精度。

同时,不少研究者们也将研究方向转至热输入小、稀释率低的基于GTAW的快速成形技术。如新加坡制造技术学院的Sun Zheng等[18]就对基于GTAW的快速成形技术的成形工艺进行了研究。Kovacevic R、Wang Huijun等[19,20]也对基于GTAW的金属零件直接成形系统进行了研究,该研究小组采用变极性GTAW工艺成形了4043铝合金零件,完成了基于VP-GTAW的Al合金零件快速成形系统的设计,该系统中实现了对过程的实时监测,通过弧长信号实时调节焊接参数,从而使得成形件精度提高。

南昌大学的罗勇等[21]也对TIG熔覆堆焊快速成形技术进行了研究,对CCD视觉传感系统的成像和标定方法进行了分析,这种技术能够直观反映焊接轨迹和熔池图像,有利于观察和控制成形过程,对成形过程进行研究分析。哈尔滨工业大学的刘一博等[22]采用冷金属过渡焊接快速成形,并建立焊接机器人快速成形系统,研究了焊接电流、提升高度和焊接方法对多层柱体快速成形件的影响,结果表明,较大的焊缝宽高比的焊接参数下,快速成形试样的表面平整,尺寸精度较高。

2.2基于PAW的快速成形技术

为了进一步提高成形件的精度,研究者们对基于热输入小的等离子弧焊的快速成形技术进行了研究。

哈尔滨工业大学的徐家富等[23]在焊接机器人等离子弧快速成形系统的基础上,结合红外测温和有限元分析,研究了沉积时间间隔对温度场和组织的影响,并建立不同沉积路径的生长模型,得出正反交替路径下成形质量和力学性能最佳。他们还研究了 固溶温度 对等离子 弧快速成 形Inconel 625合金组织的影响,最终得到980 ℃为最佳的固溶处理温度[24,25]。

此外,不少学者对等离子弧焊快速成形技术的有限元分析进行了研究。Mirahmadi A等[26]对等离子弧焊接快速成形的传热进行了数值分析,选用粉末型模型,研究了粉末涂层外表面的能量分布情况,结果表明,粉末层顶部半球的温度要高于顶部半球,具有一定的温度梯度,其在颈部的生长深度要大于粉末床的生长深度。华中科技大学的张珩[27]对等离子熔积快速制造的温度场与应力场进行了研究,以镍基合金为材料,选择不同的工艺参数对熔 积过程进 行模拟分 析,其较为新颖的地方是选择了自然对流和水急冷两种条件进行了分析,结果表明,水急冷条件下能够减少裂纹产生的倾向。

西安交通大学的乌日开西·艾依提等[28,29,30,31]对等离子弧焊接快速成形的温度场进行有限元分析,研究了脉冲电流和送丝速度对它的影响,同时对微束等离子弧焊快速成形技术的搭接即轨迹截面形状进行了分析,结果表明,成形轨迹宽高比R越小,能够减小台阶效应,成形表面越平整,并采用正交试验方法进一步优化工艺参数,最终得到脉冲电流45A、 脉冲频率4Hz,送丝速度80mm/min、扫描速度3mm/s、喷嘴高度3.1mm时,其成形轨迹R=8,成形件的质量性能较好。此后,利用该方法制造Ti-6Al-4V零件,得到其抗拉强度和致密度与激光熔覆成形件性能相当。

综上,等离子弧焊的热输入与GTAW/GMAW相比较小,现今在该技术基础上,发展研究脉冲等离子弧快速成形工艺以及热输入量更小的微束等离子弧快速成形工艺已经成为一种趋势。

2.3基于LBW的快速成形技术

激光快速成形技术国内也称作激光工程化近净成形技术,于20世纪90年代中期,由美国联合技术公司和美国桑地亚国际实验室联合开发[32]。这项技术是在激光熔覆的基础上发展起来的,选用类似于研究弧焊快速成形技术的工艺参数优化的方法(包括控制扫描速度、扫描路径、电流、电压等)来进行研究,如Koch[33]、McLean[34]、Kreutz等[35]研究了激光快速成形技术的工艺参数对零件性能的影响。国外一些公司、实验室、院校等对于这项技术的研究都在不断进行, 且研究开发出新的系统,如美国AeroMet公司针对航空钛合金结构件的制造开发了激光快速成形制造系统,其钛合金构件达到近终形,且制造效 率明显提 高,单道堆积 宽度达13 mm,单层堆积厚度 达4 mm;加拿大渥 太华大学 的Ehsan Toyserkani等建立带有熔覆厚度检测系统的激光快速成形系统,集成了激光器、检测系统、执行机构和闭环控制系统; 英国Stork-gears公司开发了基于光纤激光器的激光快速成形系统,集成了光纤激光器、CCD检测系统、同轴送粉系统及机器人系统[36]。

国内对于这项技术的研究虽然起步较晚,但随着激光加工技术的普及,越来越多的研究者对这项技术纷纷开展了一些有意义的研究。

王福雨等[37]研究了激光快速成形过程中温度场与应力场的关系,鉴于对复杂零件的热-力耦合场的分析还比较少, 该研究针对钛合金空心叶片不同曲率半径下的温度场与应力场的规律具有一定的重要意义,结果表明曲率半径小的地方热应力减小的少,容易产生应力累积。

苏州大学的何正东[38]对Fe313合金粉末在45#钢的基板上激光熔覆快速成形尖点过渡特征薄壁件分别进行了温度场模拟和实体成形研究,确定了最佳过渡曲线,根据数值模拟,对工艺参数进行优化,并结合CCD控制层高,熔覆成形尖点过渡薄壁件,得到的成形件表面光滑,精度高,组织致密,显微硬度波动小。

贵州黎阳航空动力有限公司[39]对某型涡轮发动机TC11钛合金整体叶盘3D激光快速成形技术进行了研究,并研究了成形后的加工技术,发现带锥度球头铣刀能够最大程度改善刀具干涉和振颤问题,并通过给五坐标机床上加载数字测量装置及相配套的软件,实现了在线检测加工,大大提高制造的效率。

席明哲等[40]对激光快速成形TA15钛合金厚壁零件在不同扫描方式和退火热处理条件下进行了研究,结果表明, 编织扫描方式可以得到显著细化的TA15钛合金的金相组织,且编织扫描方式下的力学性能比 单向扫描 方式下的 要高,两种扫描方式下的拉伸力学性能均要高于TA15退火锻件的力学性能标准。

2.4基于EBW的快速成形技术

相对于其他焊接热源形式的快速成形技术,电子束快速成形技术出现最晚。国外对这项技术的研究始于20世纪90年代,2000年以后,该技术在航空航天飞行器结构制造应用方面得到了快速发展,美国航空航天局及多家航空公司均参与了相关技术的测试[41]。国内,中航工业制造所率先开展了该技术的研究工作,并实现了国内电子束快速成形技术在飞机型号上的首次应用,而国内各大院校、研究所等对这项技术的研究也在不断深入。

上海交通大学的陈云霞等[42]研究了不同扫描路径对电子束快速成形工艺的效率和质量的影响,并利用ANSYS有限元软件对其中两种不同扫描路径下的成形区域温度场的变化进行了模拟,研究了扫描路径、扫描间距对成形件质量的影响。结果表明,采用轮廓线偏置扫描路径时,所需电子束电流小,成形件表面质量比较平整,成形效果优于投影扫描。

华中科技大学的锁红波等[43]对Ti-6Al-4V合金的电子束快速成形样的显微组织进行了研究,并与该合金的退火样和热等静压下的试样的力学性能作了对比。研究结果显示,快速成形样的显微组织为粗大的柱状晶,沿着堆积高度方向生长且贯穿多层沉积层;各种状态下的试样在室温下的拉伸性能均具有明显的方向性。

综合上述几种基于不同焊接方法的快速成形技术,其研究的主要内容基本包括焊接过程的焊接电流、扫描速度、扫描轨迹、单层宽高比等对焊接快速成形样的微观组织、力学性能、表面形貌等的影响,此外借助于数值分析来优化焊接工艺参数也已成为该技术的一个重点方向。随着技术的不断发展,该技术趋于集成化,系统集成了机器人、CCD视觉检测跟踪系统、CNC系统、扫描工作台、冷却系统等技术,实现并不断改进对成形过程进行实时监测及控制,焊后在线无损检测及铣削加工,大大提高了成形件的精度和成形效率。

3焊接快速成形存在的问题及分析

焊接快速成形技术是一种重要的金属零件快速成形技术,具有生产效率高、材料成本低、易于实现自动化等优势, 但是在一些技术问题上仍存在巨大的挑战。

3.1成形件精度控制

焊接快速成形技术是一种涉及CAD/CAM模型处理、 成形工艺的设置、过程监测及后处理等环节的制造过程,这些环节中都会存在一定的误差,从而影响成形件的精度。

(1)在CAD/CAM模型处理中,主要误差来自于模型的切片分层处理,系统中所用的切片算法本身就是近似拟合逼近CAD模型,同时其分层厚度方向上还会产生阶梯误差,这都将降低成形件的精度,尤其是对精度要求高、结构复杂的零件;(2)根据焊接快速成形的机理可以得出,切片扫描路径的规划及每层的成形工艺对成形件的质量和精度同样也有很大影响;(3)填充过程中,每层堆积层的成形情况都直接影响下一层的堆积,而焊接本身就是一种复杂的冶金过程,在堆积过程中伴随着 组织转变、焊接变形、参与应力 等问题; (4)由于焊接的每次起弧、灭弧都会产生结瘤,从而影响焊接外观,这都使得精度降低。因此,切片方式、扫描路径等成形工艺及系统算法等都有待深入研究。

3.2成形件性能控制

焊接快速成形技术中,由于焊接堆积过程复杂,过程中存在动态的、分布式的温度场,为多个峰值的热循环过程,成形件的组织及性能变化也更加复杂,从而增加了成形件的性能控制的难度。成形过程 中,熔覆层金 属不仅受 基板的约 束,同时熔覆金属还相互约束,在层间存在着应力释放现象, 这就使得成形件的残余应力分布变得复杂,变形不易控制, 这严重影响了成形件性能。此外,成形过程中易受其他因素影响,从而产生融合不良等缺陷,这也是成形过程中需要解决的问题。因此,对成形过程的实时监测,研究成形过程的影响因素,分析参与应力松弛机理,降低残余应力,实时准确识别控制缺陷等都有待进一步研究。

3.3成形材料

焊接快速成形技术主要以研究制造出高性能金属零件为目的,其所用金属原材料分为粉材和丝材两种形式。

对于粉末类原材料来说,其粉末的粒度、形状及粉末中氧的质量分数等都对成形件的质量有很大影响;对于丝材来说,丝材的直径均匀度及其中元素含量的波动度都对其有影响,同时受成形系统的影响,目前适用的焊丝直径在0.8~ 1.6mm之间;同时,成形材料的种类不多,主要集中于不锈钢、钛基合金、镍基合金等。因此,开发专门适用的成形材 料,制定相应的成形标准也是有待解决的问题。

4结束语

汽车覆盖件电磁辅助快速成形技术 篇2

汽车覆盖件电磁辅助快速成形技术是一种新型的板材加工技术.该技术利用磁场对磁性材料粉末有力的作用和磁场的光顺性,使磁性材料粉末在磁场力的作用下,将离散单元体之间的凹坑填平,使单元体与磁性材料粉末在强磁场的作用下成为一个整体,成为传统意义上的`实体模.该技术有效地消除了多点成形中存在的压痕缺陷,提高了板材的成形质量.

作 者：陈彬 靳宣强 CHEN Bin JIN Xuanqiang 作者单位：陈彬,CHEN Bin(济南铁道职业技术学院,济南,250104)

靳宣强,JIN Xuanqiang(山东省机械设计研究院,济南,250031)

垂柳快速成形栽培技术 篇3

关键词：垂柳；栽培种植

中图分类号： S763.7 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-10-81-1

随着我国社会主义市场经济的不断发展，人们生活水平不断提高，人们对生活环境的要求也越来越高，这在一定程度上给城市绿化带来了新的挑战。垂柳作为杨柳科柳属落叶乔木，在城市的绿化园林工程中被得到广泛地应用。因此，在了解垂柳的基本生活习性之后，探索垂柳快速成形栽培技术，对进一步加快城市园林绿化脚步有着极其重要的意义。

1 垂柳的形态特征和主要用途

1.1 垂柳的形态特征

垂柳属于杨柳科柳属落叶乔木，具有抗病虫、喜水、萌芽率较高、喜温、环境适应性较强、喜肥、成枝率较高以及耐涝的特点，树冠一般为广卵形，枝叶比较细长，容易下垂，树叶呈淡黄褐色，从当前我国垂柳的种植现状来看，主要分布于华北、长江流域、东北以及南方各省的平原地区。一般在种植垂柳时，会选择潮湿深厚的酸性或者中性土壤，pH值应该保持在6～8，在这样的环境中，垂柳的生长速度较快。

1.2 垂柳的主要用途

垂柳具有姿态优美、柔软下垂以及枝条细长的特点，自古以来就作为重要的庭院观赏树，垂柳的应用主要有以下方面：城市行道树。在城市的绿化中，垂柳由于环境适应性较强、姿态优美，可以用作固岸护堤树、行道树、平原造林树种以及庭阴树等；垂柳具有较强的抗毒气体能力，还可以吸收二氧化硫，工厂进行绿化建设时，通常会将垂柳作为首选树种，种植垂柳，不仅可以美化环境，在一定程度上还能净化空气；在人们的日常生活中，会经常接触到柳树，柳树不仅可以作为城市行道树，工厂绿化树，还具有各种各样的用途。比如，柳树可以作为接骨的夹板材料；可以编制柳箱、柳篮等生活必需品。总的来说，柳树具有广泛地用途，在一定程度上与人们的日常生活有着密不可分的联系。

2 垂柳快速成形栽培技术

从当前我国垂柳的种植现状来看，虽然垂柳比较容易种植，存活率较高，但是，传统的垂柳种植技术，柳树的生长周期较长，无法满足城市绿化建设的要求，所以，在江苏盐城地区进行垂柳种植时，运用垂柳快速成形栽培种植技术，可以在2～3年的时间内让垂柳的小冠和中冠成形，4年时间大冠成形，在一定程度上大大缩短了垂柳的成形周期，一般来说，可以从以下几个方面入手：

2.1 培土

在完成垂柳种植以后，一定要做好后期的培土工作，通常在苗木期间时，培土的次数可以定在2～3次，当苗木长到15厘米时，可以第一次进行培土，并且覆盖插条的顶部，在进行第二次培土时，一定要在苗木生长高度达到30厘米之后，而苗木在生长到50厘米之后，就可以进行第三次培土，这样一来，就可以为苗木创造良好的生长环境。

2.2 追肥

所谓追肥，主要指的是在完成垂柳苗木的种植之后，一定要将所施底肥作为基本前提，再次对苗木进行施肥，这在一定程度上可以培育出茁壮的苗木。一般来说，在垂柳的生长期间，应该适当施一些硫酸铵、尿素等氮肥，在树苗的生长后期，应该适当追施一些过磷酸钙、草木灰等钾肥。通常在对垂柳进行施肥时，会采用集中施肥的方法，即穴施或者条施，在苗木的根部施适当的肥料，一般来说，在施肥的过程中，一定要牢牢控制肥料的数量，并且尽量避免与垂柳的叶子接触，只有这样，才能既达到施肥的目的，又为苗木的茁壮成长提供了有效地保障。

2.3 摘芽

在培植垂柳的过程中，为了垂柳生长茂盛，一定要进行摘芽，在幼苗长到一定阶段之后，就需要让每一株苗木只保留一个比较健壮的幼芽，并且对多余的枝条进行清除，将一条比较健壮的枝条培育成主干，这样一来，柳树苗就不会因为多余的枝条分散养分而生长缓慢，在一定程度上有助于缩短柳树的生长周期。

2.4 灌水

一般来说，适时灌水在一定程度上可以为柳树的快速生长提供有效地保障。通常在进行灌水时，主要分为两次，第一次是在完成垂柳的种植工作之后，要立即进行灌水，确保土壤与垂柳苗木紧密结合在一起，在进行第二次灌水时，一定要根据苗木的实际需求，只有这样，才能收获较好的灌溉效果。

2.5 松土除草

杂草的存在在一定程度上也会影响垂柳的生长周期。所以，在完成垂柳的栽培工作之后，一定要做好后期处理工作，定期进行除草，确保垂柳生长养分的充足。

2.6 病虫害防治

柳树苗在生长的过程中，比较容易受到金花虫、象鼻虫以及蚜虫的侵害，所以一定要定期开展病虫防治工作，一方面可以确保垂柳的茁壮成长，另一方面还能缩短垂柳的生长周期，使垂柳快速长成。

3 结语

总而言之，垂柳作为一种乔木风景树，在一定程度上与我国城市绿化建设有着密不可分的联系。因此，在进行垂柳种植时，一定要在了解垂柳生长习性的基础上，对栽培技术进行不断地改进和创新，只有这样，才能有效缩短垂柳的生长周期，为人们营造良好的生活环境。

参考文献

[1] 张芝秀.垂柳快速成形栽培技术[J].科学种养,2013(7):15.

垂柳快速成形栽培技术 篇4

1.1 垂柳的形态特征

垂柳属于杨柳科柳属落叶乔木, 具有抗病虫、喜水、萌芽率较高、喜温、环境适应性较强、喜肥、成枝率较高以及耐涝的特点, 树冠一般为广卵形, 枝叶比较细长, 容易下垂, 树叶呈淡黄褐色。从当前我国垂柳的种植现状来看, 主要分布于华北、长江流域、东北以及南方各省的平原地区。一般在种植垂柳时, 会选择潮湿深厚的酸性或者中性土壤, p H值保持在6~8, 在这样的环境中, 垂柳的生长速度较快。

1.2 垂柳的主要用途

在城市的绿化中, 由于垂柳环境适应性较强、姿态优美, 可以用作固岸护堤树、行道树、平原造林树种以及庭荫树等;垂柳具有较强的抗毒气体能力, 还可以吸收二氧化硫;工厂进行绿化建设时, 通常会将垂柳作为首选树种。种植垂柳, 不仅可以美化环境, 还能净化空气;在人们的日常生活中, 会经常接触到柳树, 柳树不仅可以作为城市行道树和工厂绿化树, 还具有各种各样的用途。比如, 柳树可以作为接骨的夹板材料;可以编制柳箱、柳篮等生活必需品。

2 繁殖方法

以扦插繁殖为主, 也可播种, 嫁接繁殖。扦插极易生根, 有“无心插柳柳成阴之说”。扦插于早春进行, 选择生长快、无病虫害、姿态优美的雄株作为采条母株, 剪取2~3年生的粗壮枝条, 截成15~17cm长的径段作为插穂。直插, 插后充分浇水, 并经常保持土壤湿润, 成活率极高。

3 垂柳快速成形栽培技术

从当前我国垂柳的种植现状来看, 虽然垂柳比较容易种植, 存活率较高, 但是, 由于柳树的生长周期较长, 采用传统的垂柳种植技术无法满足城市绿化建设的要求, 所以, 在河南地区进行垂柳种植时, 运用垂柳快速成形栽培种植技术, 可以在2~3年的时间内让垂柳的小冠和中冠成形, 4年时间大冠成形, 在一定程度上大大缩短了垂柳的成形周期, 一般来说, 可以从以下几个方面入手:

3.1 培土

在完成垂柳种植以后, 一定要做好后期的培土工作, 通常在苗木期间时, 培土的次数可以定在2~3次, 当苗木长到15cm时, 可进行第1次培土, 并且覆盖插条的顶部, 在第2次培土时, 一定要在苗木生长高度达到30cm之后, 而苗木在生长到50cm之后, 就可以进行第3次培土, 这样就可以为苗木创造良好的生长环境。

3.2 追肥

在完成垂柳苗木的种植之后, 一定要将所施底肥作为基本前提, 再次对苗木进行施肥, 这在一定程度上可以培育出茁壮的苗木。一般来说, 在垂柳的生长期间, 应适当施一些硫酸铵、尿素等氮肥, 在树苗的生长后期, 应该适当追施一些过磷酸钙、草木灰等钾肥。通常会采用集中施肥的方法, 即穴施或者条施, 在苗木的根部施适当的肥料, 一般来说, 在施肥的过程中, 一定要牢牢控制肥料的数量, 并且尽量避免与垂柳的叶子接触, 只有这样才能既达到施肥的目的, 又为苗木茁壮成长提供了有效保障。

3.3 摘芽

在幼苗长到一定阶段之后, 就需要让每株苗木只保留一个比较健壮的幼芽, 并清除多余的枝条, 将一条比较健壮的枝条培育成主干, 柳树苗就不会因为多余的枝条分散养分而生长缓慢, 在一定程度上有助于缩短柳树的生长周期。

3.4 灌水

适时灌水可以为柳树的快速生长提供有效的保障。灌水主要分2次, 第1次是在垂柳的种植工作完成之后, 要立即灌水, 确保土壤与垂柳苗木紧密结合在一起。第2次灌水要根据苗木的实际需求, 才能收获较好的灌溉效果。

3.5 松土除草

杂草的存在在一定程度上也会影响垂柳的生长周期。所以, 在完成垂柳的栽培工作之后, 一定要做好后期处理工作, 定期除草, 确保垂柳生长养分的充足。

4 柳树病虫害防治

4.1 垂柳的虫害

危害垂柳的虫害主要有柳树金花虫和蚜虫。两者都是食叶性害虫。可在3月上中旬喷3~5°Be石硫合剂, 4月上中旬喷25%灭幼脲3号2000倍液防治。盛夏季节可见少量的柳叶甲、瓢虫、尺底蓟马、卷叶虫等虫危害, 可用甲胺磷或40%氧化乐果1000倍液交替喷雾防治, 每月防治1次。

4.2 垂柳的病害

危害垂柳的病害主要有腐烂病和溃疡病。防治措施主要是加强管理, 增强树势, 提高自身的抗病能力。发病较轻时, 可在枝干病斑上, 纵横相间0.5cm割深达木质部的刀痕, 然后喷涂:5%苛性钠水溶液、1∶10~1∶12的苏打水、70%甲基托布津200倍液、不脱酚乳油、蒽油等。及时拔除发病较重的植株, 使其与无病株隔离, 防止其蔓延, 待除的病株要及时烧毁, 有效控制病菌的传播。

摘要：垂柳作为一种外形优美的乔木风景树, 不仅可以发挥城市绿化作用, 还可以给人们带来美的享受。本文主要从垂柳的主要特征、用途以及繁殖培育、病虫害4个方面进行探讨, 以期为垂柳快速成形栽培技术的改进提供一些帮助。

熔融沉积快速成形支撑结构技术研究 篇5

Stratasys公司最早于1992年提出熔丝沉积成型技术, 它是把热塑性材料加热熔融, 并从喷头挤出从而逐层堆积出原型件的一种工艺[1~3]。由于FDM成形速度低以及出丝精度差的特点, 使得工艺支撑的优化工作尤为重要。为了提高熔融沉积技术的成形效率和最终产品的成形精度, 必须对现有的支撑结构进行有针对性地改进。熔融成形技术开展早期人们采用人工的方法构建过斜壁支撑结构, 但是自支撑能力是目前国内外相关研究机构推出的软件忽视的一个重要部分, 各机构普遍采用直壁的支撑结构。上海富奇凡和北京殷华提供基于STL模型的直壁支撑结构技术, 而美国Stratasys公司提供基于切片数据的直壁体支撑技术[4]。国内华南理工大学刘斌[5]、华中科技大学龚志海[6]给出了基于切片数据的支撑生成算法。但是极易产生支撑区域的遗漏, 零件的制作精度不高, 表面质量较差。所以待支撑区域的自动提取以及支撑结构的设计尤为重要。

熔融沉积成形技术成形形状和结构比较复杂的产品时, 工艺支撑技术是成形过程顺利进行必不可缺的一项关键技术。支撑自动生成算法主要分为二类, 一类是基于多边形布尔运算, 另一类是基于STL模型支撑生成算法。由于后者可以识别局部支撑, 能更准确地填加支撑, 是支撑自动生成技术的重点研究方向[7]。

本文基于STL模型支撑自动生成技术, 对难于识别的悬吊点和悬吊线进行识别, 分别设计出十字支撑、单壁板支撑以及多壁板锯齿结构支撑, 并使用了三点法确定支撑的生长起始点和终止点的方法。减少了材料使用, 节省了加工时的数据预处理时间, 提高了快速成形的效率。

1 支撑区域的识别

对于熔融沉积快速成形技术生产产品时有倾斜角度大于某一阙值的大倾斜面、悬吊面、悬吊线和悬吊点这四种结构需要添加适当的支撑才能顺利生成[8], 如图1所示。

1.1 大倾斜面和悬吊面的判定

提取需要添加支撑的三角面片是以实体表面三角面片的方向矢量与z轴的夹角关系来确定。设定一个平面, 假定n是它的法线, k是分层方向上的单位法向量, 即k=[0, 0, 1], 因此两个向量乘积为:

设待支撑面片的临界角为θk, 如果支撑角在-1≤ni·k≤-θk范围内, 三角面片添加支撑[7], 如果不在这个范围内则不需要添加支撑。把STL模型中的所有三角面片的法矢量与分层方向夹角进行判断, 然后把需要添加支撑和不需要添加支撑的三角面片分成两类, 需要添加支撑的面片散乱的分布, 把这些散乱的三角面片组整合成需要添加支撑的一个区域。通常三角面片的整合方法采用种子扩散法[9]。具体做法如图2所示。

种子扩散法是在需要添加支撑的三角面片中中任意选取取一个三角面片m作为种子面片, 并判断与其共边的三角形面片想想x, y, z, 是否是需要添加支撑的面片或种子面片。若判断相邻面片是需要添加支撑面片而不是种子面片, 则设其为种子面片。然后以其为种子面片并判断相邻三个三角面片是需要添加支撑面片或种子面片, 直到找不到需要添加支撑的三角面片法停止搜索, 并把所有设为种子三角面片合并成一个待加支撑区域, 称之为悬吊面。算法流程如图3所示。

上面的算法只是考虑了三角面片法向矢量与分层方向的法向量, 对于这种算法不能提取悬吊点和悬吊线特征只能提取出悬吊面和大倾角面。如图4所示。

1.2 悬吊线的判定

在STL模型中悬吊线比较难于判断, 其几何属性比悬吊面复杂很多。如图5 (a) 所示, 假设AB是悬吊线, 则水平面与悬吊线AB的夹角θ小于临界角度。三角面片ABC以及ABD是不需要添加的三角面片。过AB中点E作垂直于AB的垂直面, 这个垂直平面与三角面片ABC和ABD相交于G、H两点, 形成直线段GE、EH。由图5 (b) 图可知E点的z坐标比G点、H点z坐标都小。总结出5种情况符合这种情况, 如图6所示, 三角面片的法矢量由箭头指向表示。在图6 (a) 、 (c) 两种情况中, 法向矢量向上的三角面片与分层方向的法向矢量的夹角小于法向矢量向下的三角面片与分层方向的法向矢量夹角;在图6 (d) 、 (e) 两种情况中法向矢量向上的三角面片与分层方向的法向矢量的夹角大于法向矢量向下的三角面片与分层方向的法向矢量的夹角。则判断 (a) ~ (c) 三种情况中AB是悬吊线, 而图6 (d) 、 (e) 两种情况中AB不是悬吊线。比较两个三角面片法矢量与分层方向的法向矢量的夹角大小, 作为判断是否是悬吊线的标准, 即判断两个三角面片的法矢量单位化后相加后矢量指向, 可以判断其是否为悬吊线。

STL模型中悬吊线的几何属性总结如下:

1) 分层方向的法向矢量与悬吊线夹角小于临界值;

2) 共享一个边的三角面片都是不需要添加支撑的面片;

3) 共享一个边的三角面片的单位法矢量相加后指向下。

1.3 悬吊点的判断

在STL模型悬吊点比较容易判断, 其几何属性比悬吊线容易判断。在图7中箭头表示三角面片ABD、ABC、ACD的法矢量, 图7 (a) 中顶点A是悬吊点, 而图7 (b) 图中的顶点A不是悬吊点。图7 (a) 、 (b) 两种情况的区别是:图7 (a) 中三个三角面片的法矢量单位化后相加的向量指向与图7 (b) 中三个三角面片的法矢量单位化后相加的向量指向相反。判断是否是悬吊点还不能根据区域最低点方法。还必须使用另一种判断方法, 即如果顶点A向下延长接触到的三角面片的的法矢量向上, 可以判断这个顶点式悬吊点, 如果法矢量向下可以判断这个点不是悬吊点。悬吊点如图8 (a) 图所示, 而非悬吊点如图7 (b) 所示。

在STL模型中悬吊点的的几何属性总结如下:

1) 若该点为悬吊点, 则该点所在的三角面片中其他两个顶点z坐标值大于该悬吊点。

2) 若该点是悬吊点, 则所在边不为悬吊边。

3) 若该点是悬吊点, 则所在面不是悬吊面。

4) 判断该点向下延伸与零件实体相交的交点个数或相交的第一个三角面片的法矢量, 若法矢量向上, 或者交点数是偶数, 则该点是悬吊点。

2 支撑工艺需求

熔融沉积快速成形技术中, 支撑结构对产品表面与工作台间起着支承和定位作用, 保持产品在生产过程中平稳, 防止产品发生变形。同时支撑结构还能够使产品保持稳定, 提高产品的加工精度。尤其对于悬吊线和悬吊点特征, 假设没有支撑结构, 悬吊点和悬吊线容易发生漂移, 使制造产品坍塌、损坏。

对于熔融沉积快速成形技术的支撑结构, 为了提高支撑的合理性, 其结构设计时必须考虑以下三个方面的因素[10]:

1) 支撑有足够的强度和稳定性, 能保证支撑和支撑上面的产品不发生变形或者坍塌;

2) 设计支撑结构时要充分利用材料的自支撑能力;

3) 设计支撑结构时支撑结构应该容易与产品剥离。尽量减少产品与支撑的接触面积。

3 支撑结构设计

对于STL模型中的局部支撑, 不同类型的支撑区域设计不同的支撑外形结构如下所述。

3.1 多壁板齿形支撑结构

熔融沉积成形技术在使用过程中, 其材料呈融熔状态并且自身带有一定的粘性, 如图9水平突出的部分长度为L具有自支撑能力, 不需要额外加支撑。如图9可以引入倾斜角a来进行判断更方便, H为层片高度, L为水平突出长度, 则两者的关系如公式所示:

由图9可知当L小于等于自支撑长度Ls, 水平突出部分有自支撑能力, 不需要添加支撑。熔融沉积快速成型要有尽可能少的支撑结构, 并且支撑结构与产品表面接触面积要小, 去除后对产品表面质量的影响要小。本文所设计的多壁板齿形结构支撑如图10所示, 这种支撑主要用于大表面的支撑区域, 壁板与壁板之间距离小于等于自支撑长度Ls, 既减少了材料使用, 同时也保证整个需要加支撑的区域都能得到支撑, 齿形接触面, 减少了支撑结构与产品之间的接触面积, 便于支撑的去除, 保证了表面质量。如图11所示为齿形支撑结构的参数。

3.2 单壁板支撑

单壁板支撑结构如图12所示, 该种支撑结构主要用于狭长支撑区域, 同时还可用于悬吊线。这种支撑结构虽然强度不及多壁板齿形结构支撑, 但更容易去除, 为了保证悬吊线支撑稳定性, 在设计单壁板支撑时需要自动生成加强肋板。

3.3 十字支撑

十字支撑结构如图13所示。这种支撑结构用适用于细小特征的支撑区域, 特别适合于悬吊点。如果需要添加支撑的区域较高, 为了确保支撑的稳定性, 需要自动添加肋板, 以保证支撑的强度。

以上为本文设计的支撑结构, 其按照支撑设计准则, 根据不同支撑区域的特点, 设计不同的支撑结构。生成合适的支撑, 不仅能够减少材料使用缩短产品制作时间, 还能提高表面精度, 减少产品变形, 避免产品制作失败。

4 支撑起点和终点计算

支撑生成过程中必须先确定支撑的起点和终点。支撑的终点的确定, 可以计算需要添加支撑区域面和支撑扫描线的两个端点的交点的z坐标, 把得到的三个点的z坐标进行比较, 把z坐标最大点作为支撑终点。这个过程比较困难的是计算该点的投影坐标, 以及计算需要添加支撑区域面的z坐标。由于STL模型由许多三角面片组成, 三角面片组无法用曲面方程表示, 所以无法在曲面方程中求得z坐标值。首先要找到该点在哪个三角面片上, 然后求得三角面片所在平面方程, 并在平面方程中求其坐标值。在直角坐标系中, 设矢量系中设矢量n= (A, B, C) 为平面的法矢量, 平面上已知点P0 (x0, y0, z0) 和任意点P (x, y, z) , 由 得:

令:

得到平面的普遍式方程。

把三角面片的法矢量和三角面片的一个顶点 (x1, y1, z1) 代入式 (3) 得:

展开得到三角面片所在平面的普遍式方程:

转换式 (5) 得到z坐标的表达式

在STL文件中, 需要添加支撑的三角面片的法矢量指向均向下, 并且已经单位化, 所以其法矢量的绝对值不可能小于等于零。支撑终点就可以通过这种判断方法得到。

起点与终点确定方法有相同之处, 但是零件一般比较复杂, 起点确定也存在一定难度。如图14 (a) 中所示所有的支撑起点都从工作台开始, 在本来不需要添加支撑的地方额外添加支撑, 增加了支撑材料的使用并且使加工时间增加, 零件表面精度也会降低。文中确定支撑起点的思想是:如果支撑终点确定了, 则由终点向下延长, 如果延长线接触到零件实体, 则确定零件实体以上需要添加支撑, 否则延长线一直延长到到工作台停止。如图14 (b) 所示。

5 试验

基于本文设计的支撑结构, 利用VC++开发了支撑自动生成程序。为了验证支撑结构的合理性和可靠性。把对部分模型生成的支撑结构输出到3D打印机上进行加工, 图15是加工出的模型。图l5 (a) 中既有大倾斜面和悬吊面。图15 (b) 是对悬吊点生成的支撑。从图中的模型制作效果分析, 支撑填充合理, 没有待支撑特征遗漏。零件顺利加工成功, 起到了支撑作用。

6 结论

通过对熔融沉积快速成形机理的分析和制作精度的研究, 基于STL模型支撑结构的自动生成的方法。解决了需要添加支撑区域的自动识别、特别是难于识别的悬吊点和悬吊线的识别, 以及设计各种支撑类型的支撑结构, 提高制件强度, 较少制造时间, 减少材料使用, 提高制件表面质量, 以及支撑起点和终点的确定等问题, 使得熔融沉积快速成形支撑结构简单, 并且提高了快速成形的效率。

参考文献

[1]汪洋, 叶春生, 黄树槐.熔融沉积成型材料的研究与应用进展[J].塑料工业, 2005, (11) :9-11.

[2]赵萍, 蒋华, 周芝庭.熔融沉积快速成型工艺的原理及过程[J].机械制造与自动化, 2003, (05) :17-18.

[3]Syed H.Masood.Intelligent Rapid Prototyping with Fused Deposition Modeling[J].Rapid Prototyping Journal, 1996, 2 (1) :24-33.

[4]黄小毛.熔丝沉积成形若干关键技术研究[D].武汉:华中科技大学, 2009:36-50.

[5]刘斌, 阮峰, 王福祯, 等.熔融堆积成型系统中支撑结构自动生成算法的研究[J].机电工程技术, 2001, (03) :27-29.

[6]龚志海.熔丝沉积成型工艺支撑自动生成技术研究[D].武汉:华中科技大学, 2006:33-54.

[7]董涛, 侯丽雅, 朱丽.快速成型制造中的工艺支撑自动生成技术[J].上海交通大学学报, 2002, (07) :144-148.

[8]卞宏友, 刘伟军, 王天然, 等.基于STL模型支撑生成算法的研究[J].机械设计与制造, 2005, (07) :49-52.

[9]魏群.基于STL模型的RP支撑自动生成系统研究[D].西安:西安交通大学, 2003:32-40.

快速成形技术发展 篇6

1 快速形成技术 (RP) 的基本概念

快速形成技术 (Rapid Prototyping, RP) 也被称为是快速原型制造技术, 是一种在材料堆积法的基础上发展出来的一种高新技术, 能够最大限度的满足现代企业的相关要求。RPM集CAD以及机械类的工程技术于一身, 可以非常精确以及快速的将设计的思想转变成零件, 为零件的制造提供低成本、高效率的保证。RP技术可以将更多的时间用于相关产品的设计以及完善上面, 从而能够在设计的过程中及时的发现相关问题, 解决问题, 尤其能够解决模具生产的脚步跟不上产品的开发需要等问题。RP模具在制造的过程中被分为以下例中方法:其一, 直接法;其二, 间接法。直接法主要运用的是将快速成型之后的零部件进行有效的处理, 举例来说, 喷涂原料, 制作消失模以及木模等。间接法主要指的是利用快速成型的母模具或者过渡模具来得到铸件, 举例来说, 石膏模。

2 快速形成技术 (RP) 的基本特点

RP技术的出现改变了比较传统的模具加工方法, RP有着以下几个方面的特点:其一, 制造速度比较快;其二, 性能比较稳定;其三, 适应市场的速度比较快。另外, RP技术的相关形成方式与复杂的零件没有直接的关系, 可以用于比较复杂的零件制造中。另外, 铸造的工艺本身有着制造成本比较低, 工艺活比较繁多, 另外不受逐渐的大小以及形状的限制[1]。所以, 从上述几个方面来看, RP技术是复杂零件的主要解决办法之一。

就目前的技术水平来看, 比较快速的成形方法一般有以下几种:其一, SLA (立体平板应刷成形方法) ;其二, LOM (分层实体制造成形方法) ;其三, SLS (选择性激光烧结方法) ;其四, FDM (融化成积成形方法) 。SLA (立体平板应刷成形方法) 的方法主要是通过紫外的波长来对树脂进行全方位以及多角度的扫描, 让液态光敏树脂产生一系列的聚合反应, 在固化之后形成了一种三维的结构组织。LOM (分层实体制造成形方法) 主要是通过激光束的照射从而能够在单面上涂敷一层比较敏感的材料, 在到达一定的温度之后生成实体形状。SLS (选择性激光烧结方法) 主要采用的是烧结好的粉末, 在此基础上生成原型。FDM (融化成积成形方法) 主要是通过相关计算机来对塑料材料进行适度的加热控制, 并且有选择的将材料固化之后生成一种比较立体的实体物质。

3 快速形成技术 (RP) 的相关铸造模具

3.1 铸造金属模

利用RP技术可以直接制造出来金属模, 其具体原型是粘结剂物质, 在形成初期其密度以及强度都比较低, 在经过重复的烧结过程之后, 其表层会脱掉粘结剂, 从而在更深的程度上提高了强度以及密度。但是, 在模具学的相关研究上, 很难满足实际的需求。在分层实体制造成形方法的作用下, 制造出金属模具, 原型的精确度在101±0.12mm, 表面的数值为1.5um。在一定程度上, 可以有效的满足砂型铸造的相关要求。另外, 间接法的使用也能够制造出原型, 并且再加上精确的工艺可以在原型的基础上快速的完成工艺生产所需要的零部件。在利用好RP技术的基础上, 可以制造出精确的金属模具, 而此模具的性能也能达到市场的相关要求, 从而提高市场的竞争力。

3.2 消失模

消失模主要采用的是SLS (选择性激光烧结方法) 的新工艺方法来构建出原型, 在经过烧结方法的处理之后, 可以制造出消失模, 从而制造出生产金属的相关铸件。在此方法来看, 其主要攻克的方向是金属的流动性能以及铸件的质量, 降低烧结体密度。在气化的生产工艺过程中。利用好传统的聚苯乙烯, 把与蜡像比较好的敏感度以及气化溶解度合理的融合起来。此模具有着以下几个方面的特点:其一, 表面的质量比较好;其二, 杂质比较少;其三, 烧结体的强度比较高[2]。另外, 在经过抛光技术处理之后, 在表面上的镀层可以有效的消除气孔, 从而比较明显的提高尺寸的形状以及质量, 并且将不锈钢等材料的铸造变得更为高质量化。

3.3 木模

木模的制造过程一般采取的是传统的手工艺, 因此制作的时间会比较长, 精确度会比较低, 相对起一些比较复杂的铸件来说, 木模的制造过程太过于困难, 而且制造此模具的师傅需要经过很多年时间的经验累积, 才能够制造出一个比较好的模具。现代企业主要利用的是SLA (立体平板应刷成形方法) 以及LOM (分层实体制造成形方法) 的方式方法来代替传统的工艺铸造。

3.4 蜡模

一般情况下, 传统的蜡模制造方法均采用的是压制性的方式来完成, 因此很难满足复杂零件的铸件要求。尉凯晨, 郭伟等学者在激光快速成形技术新进展及其在高性能材料加工中的应用一文中的相关研究表示, 选择SLS (选择性激光烧结方法) 的方法能够最大限度的减少水玻璃的湿润度能够达到相关标准[3]。经过相关实践证明, 使用SLS (选择性激光烧结方法) 的方法可以快速而又精确的制造出蜡模。

4 结束语

模具生产零件的过程中具有节约资源以及效率比较高等特点, 根据相关资料显示, 工业类的产品72%~85%以上都需要经过模具的处理, 因此, 模具对于工业领域来说有着重要的地位和影响。

参考文献

[1]陈永雄, 梁秀兵, 刘燕等.电弧喷涂快速成形技术研究现状[J].材料工程, 2010, 15 (02) :9122-9633, 1268.

[2]吴任东, 杨辉, 张磊等.组织工程支架快速成形技术研究现状[J].机械工程学报, 2011, 47 (05) :1702-1763, 1524.

快速成形技术发展 篇7

金属材料具较好的耐腐蚀性能和力学性能,是最早应用于临床的生物医用材料。但是由于金属的弹性模量过高,使载荷不能很好地由植入体传递到相邻的骨组织,植入物与人体骨骼之间出现“应力屏蔽”,造成植入体周围骨应力吸收,致使植入体松动脱落[1]。多孔合金的弹性模量和强度比致密体材料低,可以达到与骨组织相匹配的力学性能。同时,相互连通及适当大小的孔结构有利于周围细胞的长入和新骨的生长,从而增强金属植入体与人体组织的结合,又可为体液的传输提供通道,是非常理想的植入体材料[2,3]。

目前,制备金属多孔材料的方法主要包括粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法和等离子喷涂法等[4,5,6,7,8,9,10,11],但这些方法均存在不能灵活控制孔结构、无法保证孔隙间的导通性以及无法较好地模拟与人体骨组织结构相似的孔隙结构特征等问题。快速成形技术是基于离散-堆积成形原理,由零件数字模型(CAD模型)直接驱动,可完成仼意复杂形状三维实体零件的形成的技术总称,其具有快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性,且可以对孔结构进行设计,是较为理想的多孔材料制备方法[12,13,14]。其中基于选择性熔化的激光或电子束快速成形技术采用金属粉末直接成形,与激光快速成形相比,电子束快速成形(EBM)具有功率大、能量利用率高、对焦方便、可加工材料广泛和加工效率高等优势,同时电子束快速成形过程中有真空保护,可以防止合金氧化,样品中内应力小,更适合于制备金属多孔材料。

1 电子束快速成形技术发展现状

EBM技术是类似于激光成形的一种快速制造技术,其工艺过程是先确定零件的三维CAD 模型,然后按照一定的厚度进行分层切片处理而将零件的三维形状数据离散成一系列二维数据,再将所得模型导入成形设备中,利用电子束在程序控制下根据模型提供的信息进行有选择的熔化烧结,通过逐层堆积,直至整个零件完成。该技术具有以下优点: 可通过建模灵活设计所需产品形状,而且不需要制作昂贵的模具,生产周期短,效率高;材料的利用率高,多余的粉末可以重复使用;熔化过程中熔池细小,冷却速度较快,可以有效避免传统铸造过程中晶粒的过分长大和成分的偏析;所采用的高真空环境正好可以避免合金的氧化,特别适合于制备活性金属(如钛合金)。生物多孔材料的设计与制备是EBM技术应用的一个主要方面,因为该技术可以自由设计多孔结构,可以进行个性化生物植入体的柔性化设计制造。目前EBM技术制备生物多孔植入体的研究主要集中在纯Ti、Ti-6Al-4V、Ni基、Co基等生物合金,瑞典Arcam公司、哥德堡大学,美国北卡罗来纳州大学、德克萨斯州大学、南加州大学等均开展了相关的研究工作[12,15,16],在生物医用金属多孔材料孔结构力学相容性设计方面做了系统的探索。Medical Modeling公司等利用EBM技术结合CT医疗影像,在个体化金属植入体的设计与制备等方面都取得了较大进展。另外,意大利的Lima公司、法国的Addbio公司等生物材料公司都进行了电子束成形医用材料的生产研究工作,制备出了颅骨、颚骨和股骨等典型植入体,并成功投入市场。同时,德国厄兰格-纽纶堡大学[17]、意大利的Eurocoating公司针对电子束成形多孔样品的孔表面进行改性处理,在植入体表面制备出了羟基磷灰石和磷酸钙等生物活性涂层。下面从电子束成形中孔结构设计、个体化植入体的设计与制备、植入体表面改性与临床性能评估几方面介绍电子束快速成形法制备生物多孔材料的进展情况。

2 电子束成形样品孔结构设计

2.1 生物材料多孔结构的力学相容性设计

孔结构决定着植入体最终的力学性能,为了避免“应力屏蔽”现象,要保证植入体与真实骨结构力学性能(表1)相匹配。所以需要针对所需力学性能对孔的类型、孔径尺寸、孔壁厚度及孔隙率等进行设计。

Murr等[19]系统研究了孔结构类型对多孔材料性能的影响,利用EBM技术制备了4种不同孔结构单元的样品,如图1所示,4种结构单元复杂性依次增强,1号、2号单元为直角对称型孔结构,3号对称性有所降低,4号由二重对称变为三重对称。力学性能测试结果表明:以4种结构为孔单元的样品的模量和强度等力学性能依次降低,这主要是由于力学性能对孔隙形状敏感,不规则孔隙的尖锐部分往往是应力集中区,会降低材料的强度和塑性。除图1所示的点阵型孔结构外。Yoo[20]还利用类似骨结构的单元制备出了如图2所示的生物多孔结构。

除孔单元结构类型外,孔隙率及孔壁厚度也是影响力学性能的主要因素。孔隙率的增大可使多孔材料模量下降,Gibson等[21]利用式(1)描述了多孔材料模量与密度的关系:

E=E0(ρ/ρ0)n (1)

式中:E和E0为多孔结构和致密结构的模量,ρ和ρ0分别为二者的密度,n值在1.8～2.2之间变化。

一些研究者[22,23,24]利用电子束制备了Cu基、Co基、Ni基以及Ti-6Al-4V合金的多孔结构,得出几种合金的相对密度与相对模量的关系,如图3所示,并得到Gibson-Ashby公式(式(1))中n值的范围在2.2～2.4之间,比经典方程中的n值略高。

Parthasarathy等[25]综合研究了Ti-6Al-4V合金孔隙率和壁厚对性能的影响,其研究结果列于表2中。1号到3号样品随着孔隙率的升高,压缩模量和抗压强度均降低,但是具有相同孔隙率的1号和4号样品的模量却相差较大,两者差别主要在于1号和4号样品的孔壁厚度分别为800 μm和400 μm,其压缩模量便由2.92 GPa下降到了0.57 GPa,抗压强度也由163.02 MPa降至7.28 MPa。由此可见,对于EBM制备的多孔结构,其压缩性能的主要影响因素是孔壁厚度,而非整体的孔隙度。Murr等[26]也曾得出类似的结论,认为壁厚的影响也可能体现在壁厚不同,成形过程冷却速度不同,进而改变了合金的相组成,影响了多孔结构的力学性能。同时,对多孔结构的剪切性能的研究表明,电子束成形样品层与层之间结合良好,并未发生沿层的剪切断裂,由几个样品的剪切强度可看出,多孔结构的剪切强度与孔结构之间并没有稳定的对应关系。

2.2 生物材料多孔结构的生物相容性设计

多孔结构的孔径、孔隙率及孔内部的贯通性是骨材料植入体内后骨长入方式和数量的决定性因素。研究表明:材料内部贯通气孔的孔径为5～40 μm 时,允许纤维组织长入;孔径为40～100 μm 时,允许非矿化的骨样组织长入;孔径达到150 μm 以上时,能为骨组织的长入提供理想场所;孔径为200～400 μm时最有利于新骨生长。李国臣等[27]采用EBM技术成功制备了具有相互连通的蜂巢状孔结构的钛合金支架,其孔隙率为65%,孔径为1.05 mm。考虑到支架的收缩和在其表面涂层,所设计的支架孔径比骨组织向支架内长入的理想孔径大。生物实验表明:细胞在支架表面、内部孔壁甚至孔隙内部均有生长, 说明此类多孔结构为细胞生长提供了一个良好的载体。Arcam公司也利用45～100 μm的Ti-6Al-4V合金粉制备出孔径为500～700 μm植入体,并进行了为期6个月的生物体实验,结果显示植入体有较好的生物相容性,孔结构内有大量骨组织长入[28]。

2.3 梯度型孔结构设计

人体骨要求具有非均质多孔连通细胞载体框架结构, 而困扰学术界和工程界的瓶颈问题是如何设计、制备人体骨的这种具有功能梯度的微观结构。EBM技术可以通过建模在同一植入体内进行梯度孔结构的设计,进一步完善植入体设计技术。Harryson等[29]成功设计制备了具有梯度孔结构的大腿骨植入体,同时Murr等[19]也制备了内层孔结构密度0.58 g/cm3、外层孔结构密度1.06 g/cm3的内外两种孔结构的Ti-6Al-4V合金植入体,其结构如图4所示。

3 个体化金属植入体的设计与制备

从生物医学工程的角度看,植入体在满足力学相容性和生物相容性的同时,还应具有个体匹配性。由于人骨骼的不规则性,常常遇到植入物与患区骨骼不匹配的问题,而采用EBM技术则可以使之得到解决。个体化植入体设计流程为:首先用CT薄层扫描患处,获得骨骼的多层断面轮廓图像数据,再采用合理的图像处理手段提取骨骼轮廓,结合CAD设计最终确定模型,然后进行电子束快速成形制造。该技术改进了个体匹配植入物设计与制造的速度和精度,直接将所需植入物的断层图像数据转化为快速成形分层制造的轮廓数据格式并快速制造植入物的实体原型。Arcam公司利用电子束快速成形成功制备出多孔钛合金颅骨植入体,如图5(a)所示[30];Parthasarathy等[31]也根据CT所得数据,利用MIMICS软件重建下颚骨三维模型,如图5(b)所示,制备出下颚骨的植入体,并利用有限元分析法模拟了其在咀嚼状态下的应力分布情况,评估了其临床性能;Murr等[32]也利用此法制得Co基股骨植入体,如图5(c)所示。在成形结构的控制方面,Bael等[33]通过调整成两次循环实验,先进行一次实验成形,得出模型与样品尺寸的偏差,再用正式成形时输入补偿值的方法有效控制了快速成形多孔材料的成形精度,最终将模型与所得样品之间孔结构的偏差降低至5%以下。

4 植入体的表面改性与临床性能评估

电子束法制备的生物植入体可以较容易地通过结构设计满足力学性能和外形上的要求,但是从更适合于医学应用的要求角度,还需要对多孔结构的表面进行化学处理或镀膜处理,以保证植入体表面具有较好的生物相容性、耐磨性以及对组织生长的诱导性。常用的耐磨表面涂层有TiN涂层、TiO2涂层,生物活性涂层主要包括羟基磷灰石、磷酸钙等。因为植入体复杂的连通孔结构具有较多的内部表面,因此对表面处理方法要求较高。目前在医用多孔结构的表面制备涂层的方法主要有热喷涂、电镀与化学镀、气相沉积、离子注入、微弧氧化以及复合型表面处理等。Zhao等[34]利用热碱溶液对多孔钛表面进行活化,然后利用磷酸钙溶液处理的方法在多孔钛表面制备了磷酸钙涂层;Lee等[35]在羟基磷灰石溶液中采用微氧化法制备出羟基磷灰石/二氧化钛复合涂层;Chen等[36]利用过饱合的Ca(OH)2溶液在加热状态下使Ca2+在多孔钛表面沉积,最终形成CaTiO3/CaO复合涂层;Heinl等[37]利用HCl 和 NaOH化学活化法在电子束法制备的多孔Ti-6Al-4V上制备出结合强度高、稳定性好的羟基磷灰石层。同时,意大利的Eurocoating公司等[38]也对电子束成形多孔Ti-6Al-4V植入体的孔表面进行了改性处理,利用热喷涂的方法在植入体表面制备出纯钛多孔层,同时还利用电化学沉积的方法在植入体表面制备出羟基磷灰石、磷酸钙等生物活性涂层,此种方法制备的涂层较为均匀,且有益于在内部通孔的隐蔽的位置镀层。图6为采用电化学沉积法在孔结构表面制备的磷酸钙涂层。

另外,还应结合生物实验对植入体进行性能评估,对组织结构进行进一步的优化,最终实现临床应用。Petrovic等[39]针对电子束成形Ti-6Al-4V合金进行了为期8周的生物实验(图7,(a)为电子束成形植入样品,(b)为兔子大腿骨,(c)为骨组织长入情况)。结果显示,电子束快速成形多孔结构中骨组织长入达到86%,且并无排异或组织发炎现象。

5 结语

快速成形技术发展 篇8

金属材料是人类社会最重要的工程材料之一。千百年来金属材料的制备和加工一直采用铸造制锭(坯)—锻造成形的工艺。由于铸造熔炼和凝固工艺的特点,铸态金属的成分和组织受到极大的限制:组织粗大、存在成分偏析等等,这些缺陷即使经过后续的塑性加工和热处理,也不能完全消除。为此,铸造金属的使用性能长期以来受到很大影响。

喷射成形是20世纪冶金技术的一项重大创新。由于它具有很高的冷却速率和在大的过冷度下有高的界面生长速率的凝固特性,能使材料的微观组织均匀细化,消除成分宏观偏析,抑制微观偏析生成,形成亚稳结构,减少脆性相,表现出一系列优异的使用性能。因此,引起了各国业界的广泛重视,并得到了迅速的发展。尤其可贵的是,通过喷射成形还可以制备一些常规铸造合金无法获得的高合金制件和使用性能,例如含钒量超过3%的高耐磨模具钢及模具[1]。

它是粉末冶金技术的进一步发展,在具有粉末冶金的所有优点的同时,又可克服粉末冶金的氧化严重、工序复杂、颗粒边界难以消除等一系列缺点。不但大大缩短了生产周期,而且还可以得到性能比粉末冶金制件更加优良的产品。与其他先进制造技术结合,还能够实现近净成形(精密喷射成形),制造热作模具,不但提高产品性能,而且大大缩短生产链,节省生产时间和成本。

2 喷射成形的原理

喷射成形技术包括金属熔化、雾化和沉积等三个工艺过程。其原理(如图1)为:将金属熔化成液态金属后,雾化成熔滴颗粒;雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速运动,并与气流进行强烈的热交换;凝固过程中的熔滴高速撞击沉积表面,并在沉积表面附着、铺展、堆积、熔合,形成一个薄的半液态层后,顺序凝固结晶,逐步沉积生长成为一个大块致密的金属实体[2,3,4,5]。其中,金属熔炼室位于雾化室上方,熔炼开始前,先将熔炼室和雾化室抽真空,液态金属开始雾化时,向两室充入N2或Ar,然后金属液流经中间漏斗进人底部的导流管,在管口处被高压气体雾化成熔滴。目前通过数学模型研究的对象主要有金属液雾化、凝固过程中的热量和能量传输以及沉积坯的长大与形状控制等。

不同粒径的雾滴以不同的状态沉积在沉积体上,在沉积体凝固和沉积态组织形成过程中具有不同的作用[6]。如图2所示,对于D>DL(DL———全液态雾滴临界直径)大粒径的全液态雾滴,沉积在沉积体表面时,与沉积体表面半固态层的液相溶为一体,且填补在沉积体表面的全固态雾滴及半固态雾滴之间的空隙,使沉积体获得一定的致密度。当雾滴粒径为Ds

液态金属在惰性气流作用下雾化和沉积,所获得的金属实体具有偏析小、晶粒细小等特性,使其具有很好的强度和韧性。图3为用真空熔铸工艺和喷射成形工艺制备的CPMM4钢铸态组织。图3a真空熔铸工艺获得的CPMM4钢,碳化物颗粒比较粗大且分布不均匀,共晶莱氏体组织特征明显;而从图3b中看到用喷射成形工艺制备的CPMM4钢,组织非常均匀,呈等轴状的晶粒十分细小,未见共晶莱氏体偏析组织。从这2种CPMM4钢的组织对比可知,利用喷射成形技术制备高合金工模具钢的优势十分明显[7]。

图4是喷射成形V4钢与粉末冶金V4钢球化组织,从图中可以看到,2种工艺获得的组织十分相似,铁素体晶粒非常细小,约在2μm～4μm范围内,而细小的碳化物颗粒分布也很均匀。仔细观察可以发现,喷射成形V4钢中碳化物颗粒尺寸更细小,碳化物分布更均匀,未见网状碳化物和共晶莱氏体组织[7]。由此可见,喷射成形工艺在制备高合金工模具钢方面显示出独特的优势,它们极大抑制了常在传统熔铸工艺制备的高合金工模具钢中看到的部分偏析和共晶莱氏体组织等缺陷。结果表明,喷射成形高合金工模具钢具有良好的高温成形性,可以承受大变形量的热加工而不裂。

(a)真空熔炼工艺(b)喷射成形工艺

(a)喷射成形(b)粉末冶金

3 喷射成形技术在国外的发展状况及工业化产品

3.1 喷射成形技术在国外的发展

喷射成形(Spray Forming)是英国A.R.E.Singer教授于1968年首先提出的,并得到了迅速的发展[8]。喷射成形初步的研究已经证明了它在提高性能方面的潜力。20世纪80年代中后期喷射沉积技术已从纯实验研究走向商业化和应用,在美国、日本和欧洲已有三十多家企业和研究机构从事商业生产和开发研究。其中包括瑞典的Sandvik公司;英国的CosPray公司(Alcan分支机构)、Rolls-Roycc公司;德国的Mannesman Dcmag和Peak公司;法国的Rechiney公司及日本的住友重工;美国的Howmet公司、GE公司和荷兰、瑞士、芬兰的一些公司。还有美国麻省理工学院、Drexel大学、美国海军,英国Swansea大学,Sheffield大学等研究机构。他们研究和生产产品的合金品种有不锈钢、高速钢、工具钢、高温合金、高强铝合金、铜合金、镁合金、金属间化合物及金属基颗粒或短纤维增强复合材料等[9]。

国外喷射成形技术的应用开发主要集中在圆坯和管坯上。目前,已经能生产尴450mm×2500mm的棒材,其收得率可高达70%～85%。所生产的管坯尴150mm～尴1800mm、长度为8000mm,其收得率为80%～90%。而成形的合金材料主要有铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。这些材料已经用于火箭壳体、尾翼、涡轮发动机涡轮盘、海洋中耐腐蚀管道(IN625合金)、轧辊、导电材料(Cu.Cr、Cu.Ni—Sn等)汽车连杆、活塞及体育器材等[10]。

3.2 喷射成形在铝、镁等轻金属合金材料制备中的应用

铝、镁等轻金属合金喷射成形制锭是目前喷射成形技术最为热门的领域,它开辟了新型高性能轻质航空材料制备的新途径。目前这方面的研究工作主要集中在高强铝合金系,高比强、高比模Al—Li合金系,耐热高强Al—Fe合金系及铝基复合材料等。采用喷射成形制锭所获得的工件的组织和性能均有很大改善,它从根本上消除了熔铸合金的宏观偏析及粗大的一次析出相;解决了粉末冶金颗粒边界上的难熔氧化物膜,得到各向同性材料。Osprey公司与Alussuisse合作在试验中已经获得尴415mm的铝合金圆坯;德国Peak公司制造出尴400mm×1000mm的铝合金棒材,可以不需扒皮而直接进行挤压[7,8,11,12]。

通过喷射成形技术制得的铝合金,其组织优点为:

(1)组织凝固速率高,达到102～105K/s;

(2)晶粒细小和第2相均得到细化1个数量级

(3)等轴晶;

(4)无宏观偏析,组织均匀;

(5)组织洁净,氧含量低;

(6)合金元素含量突破极限。

其材料的性能优点为:

(1)强度高,并且可通过提高合金含量继续提高强度;

(2)塑性高,压力加工性好;

(3)耐腐蚀性高;

(4)韧性高;

(5)可设计特种合金:超高强度、高刚度、耐热、低热膨胀等[13]。克服了传统的铸件毛坯质量不稳定,个体相差较大;热处理时铸件易发生变形,外形尺寸不规则;铸件内部残余应力过大也容易造成铸件加工时发生变形,不易控制;铸件材料本身的铸造缺陷问题如偏析及夹杂等一系列缺点。易黎明等[14]已经得到了喷射成形铝合金,相对于相同牌号的传统铝合金,其性能获得了较大的提高。

如表1所示,其中铸造铝合金A356在强度获得提高的同时伸长率大幅度提高,这有利于扩大其应用范围。SF7075和SF7055铝合金T6态性能已达到或超过45钢的性能(45钢调质抗拉强度680MPa),如果将这类合金应用于航天工业,替代某些结构部位现用的金属材料,减重效果显著,性能大幅度提高。

注:表中所列喷射成形铝合金均为120mm直径的挤压棒材经T6处理后所测性能,由上海交通大学提供。

镁合金是一种轻质结构材料,主要缺点是抗氧化和耐蚀性较差,难以加工成形。通过喷射成形可以克服常规铸锭冶金方法生产的镁合金压缩强度、高温热稳定性、断裂韧性等较差的特点,出现了固溶度扩展、非平衡结晶、微观晶粒细化、亚稳相等,大大利于其力学性能的提高。喷射成形镁合金的晶粒显著细化,成10μm～30μm的等轴晶粒,组织分布均匀,基本消除宏观偏析。王晓峰等[15]对喷射成形镁合金AZ91的研究结果表明:沉积态AZ91的晶粒平均尺寸为20μm,比铸态组织细小得多,析出相M17Al12的尺寸也较细小(图5)。

(a)沉积态(b)铸态

喷射成形的沉积体凝固时不发生液体的流动,使沉积层之间良好地结合在一起,不会出现常规铸造中因凝固收缩引起的缩孔和疏松;凝固过程在高压气流中瞬时完成,发生液体的一次成形,避免了类似粉末冶金工艺中因储存、运输、固化等工序的污染而引起孔洞,所以喷射成形镁合金坯料具有高致密性。白丽华等[16]通过喷射成形技术应用于镁合金材料的研究,通过喷射成形工艺制备的Mg-Zn-Zr合金,沉积坯的致密度为90%～95%,孔隙率在10%范围之内。优化喷射成形工艺参数,能够提高沉积坯的致密性,已达到理论密度95%以上。王晓峰等[15]制备的喷射成形AZ91镁合金坯料相对密度已达到96.2%～97.5%。研究表明,喷射成形工艺可显著提高镁合金的性能和塑性。目前,发达国家已经建成了若干商品化生产的轻合金生产线。

3.3 喷射成形在高速钢、轴承钢、高温合金等高合金钢铁材料制备中的应用

喷射成形高温合金是随着喷射成形技术的应用而发展起来的。由于可以克服铸锭冶金工艺制备高温合金锭坯存在着铸锭晶粒粗大、偏析严重、组织不均匀、材料工艺塑性低等缺点,高温合金喷射成形技术在近20年来得到了迅速发展。目前实际形成了大口径厚壁管、宇航环形件、航空发动机和燃机涡轮盘坯等三个主要应用方向。研究表明[17],喷射成形高温合金环形件的成分均匀、晶粒细小、无粗大碳化物、第二相尺寸减小,热加工性能得到较大提高,其拉伸、持久、低周疲劳、高周疲劳等力学性能略高于或相当于常规变形环形件。与常规铸造+变形和粉末冶金合金相比,喷射成形制造高温合金环形件原材料利用率提高了30%,劳动力节约了20%,加工周期缩短数月时间,机械加工速度提高了25%～35%,机加工刀具寿命提高了2倍,机加工成本降低约20%～35%,总的制造成本降低约30%。喷射成形快速凝固细化了晶粒组织,极大地改善了合金的热塑性,通常不能锻造的高强度铸造高温合金或变形高温合金经喷射成形后,即可进行热加工。如图6所示,喷射成形GH742,在1100℃下一次锻造变形70%,试样表面及边角处均无裂纹出现,而常规变形GH742合金,变形量到40%即产生裂纹[18]。

(a)常规变形合金(b)喷射成形合金

通过喷射成形技术制备轴承钢及对其进行两次油淬,塑性得到了很大的提高。史海生等[19]对GCr15轴承钢铸态和两次油淬试样进行拉伸试验,得到伸长率分别为119%和328%(图7)。由TEM照片上获得:喷射成形铸态试样的珠光体平均片间距为85nm;经过二次油淬超塑处理试样的马氏体平均宽度仅为0.15μm,碳化物尺寸范围为0.12μm～0.58μm。喷射成形GCr15钢铸态及二次油淬超塑处理的试样具有如此细化的微观组织,是传统工艺难以获得的。

Eonsik Lee等人研究了喷射成形高速钢的凝固组织和碳化物分解情况,指出其碳化物组织为不连续网状分布的片状M2C和细小均匀分布的球形MC;在高温退火和热锻时碳化物分布更为均匀,弯曲强度提高[20]。

(a)喷射态(b)二次油淬

3.4 喷射成形技术在热作模具制造中的应用

美国爱达荷国家工程和环境实验室在20世纪90年代就开展了喷射成形快速制模的研究[21,22]。以热作模具钢H13为原材料,过热100℃,氮气雾化,陶瓷模具为母模,获得了99.3%～99.9%的致密度,材料含氮量由0.011%提高到0.059%。用喷射成形的方法成功地制造了热锻、挤压、压铸模具,并与常规模具进行了使用寿命对比试验。试验结果证明,喷射成形的模具使用寿命得到了不同程度的提高,如表2所示。试验中,一种锻造模具的寿命提高了180%,挤出模具寿命提高了50%。除此之外,它在简化模具制造工艺、缩短模具制造周期和降低成本方面显示出了诱人的前景。

芬兰研究中心使用精密喷射成形工艺[23],将熔化的工具钢喷射到一个陶瓷铸型中,实现了高合金模具钢的近净成形。新型模具钢含钒量高达4.1%,具有极好的耐磨性,硬度达到61HRC,喷射成形后无需淬火,可以直接使用。一个锻模镶嵌件短时间内就能交货,且寿命比传统制模提高了25%。喷射成形工件200mm尺寸的公差仅为±0.05mm,且工作表面质量的满意度超过了机械加工方法。

快速制模在市场竞争中是极具优越性的。据估计,因为企业没有能力迅速开发产品占领市场,新产品的利润总额通常要降低60%[24]。福特快速模具工艺(又称喷射成形模具工艺,Novarc喷射工艺)把电弧枪应用到喷射模具中。4～6个小弧枪被安装到一个6轴可编程的工业机器人上,通过编程控制机器人使这些电弧枪移动,得到了理想的产品[25]。

福特公司使用快速模具工艺制作车身冷冲模实验[26],生产了75万件工件,生产准备时间从4～18周降低到1～2周,模具几何形状公差达到0.076mm,成本降低了25%～30%。

在喷射成形制造的模具中[27],使用双雾化器可以制造出直径达到400mm的产品。喷射成形技术可制造出尴200mm的小镶嵌件及复杂的镶嵌件。实践还表明:喷射成形使用双雾化器系统比单个雾化器系统得到的嵌入件或模具的质量更稳定、可靠。

在喷射成形快速制模时[27],可将冷却管道预先铺设在陶瓷模腔中,直接形成冷却水道,可以省去传统的钻孔,达到了准确、快捷、方便的目的。同时,还可以得到弯曲的冷却通道和特殊位置、狭窄或贴合型腔外形的通道,突破了复杂模具中只能得到简单的直管道的传统方法。增强型冷却不仅仅提高模具寿命,而且通过缩短零件生产周期提高了生产率,在喷射注塑模中已经表明[28],增强型贴合型腔外形的通道的冷却和传统冷却方法相比,零件生产周期可以缩短15%～50%。

4 国内喷射成形技术的研究与开发

我国喷射成形技术的研究与开发起步较晚,但是已经有越来越多的企业开展了喷射成形的研究和开发工作。这些部门主要有:中国科学院金属研究所、北京有色研究院、北京航空材料研究院、北京科技大学、中南大学、哈尔滨工业大学、宝钢、内蒙古科技大学等。无论是理论还是在设备、工艺等方面,都取得了不少成绩。

中国科学院金属所和哈尔滨工业大学等在上世纪90年代初就开展了喷射成形的机理和数值模拟方面的工作,建立了描述喷射成形圆柱坯形状演化过程的数学模型,并进行了仿真和实验研究[39～32]。上海交通大学运用喷射成形技术研究了LD钢、V4、CPMM4钢,得出了经过后续热变形加工和球化退火热处理,可以获得与进口的同成分粉末冶金钢种相似的球化组织和退火硬度[7]。

在钢铁材料方面,上海宝山钢铁公司等积极开展了喷射成形的研究,与国家基金委合作,联合国内其他单位,在轴承钢、高速钢、超高碳钢、轧辊材料等方面均开展了研究,尤其在超高碳钢方面,具有较大创新性[33,34,35,36]。

5 结论

(1)喷射成形是一种快速凝固成形工艺,它具有粉末冶金的所有优点,如晶粒均匀细小、无宏观偏析等,又可克服粉末冶金加工流程长、晶界易氧化等缺点,是冶金技术的重大创新。

(2)喷射成形技术在铝、镁等轻质合金和高速钢、轴承钢等高合金钢中都已经得到了广泛应用,展现出了一系列的优点,其性能如强度、硬度、延展率及使用寿命等,都大大超过了传统方法制造的产品。

管件高压液压成形技术的发展简述 篇9

随着现代工业的发展, 对产品自重、零件的数量和强度刚度都有了更高的要求。当前在汽车、航空航天、船舶、发动机等制造业中, 轻量化技术成为研究的重点[1]。与传统的冲压、焊接工艺相比, 采用管件高压液压成形工艺制造的零件能够减轻质量, 节约材料、减少模具重量, 降低模具费用、增加疲劳强度和应用刚度、减少后续机加处理、提高材料可利用率, 提高生产效率、降低生产成本等优点。这不但满足了汽车轻量化技术发展的要求, 而且随着计算机仿真分析技术和超高压控制技术的发展以及新兴材料产生, 此技术将逐步取代传统的制造工艺, 并有着广阔的发展空间和应用前景。

1 管件高压液压技术

1.1 技术原理

高压液压成形原理如图1所示。它利用金属塑性变形的原理, 向密封金属管件毛坯内注入高压液体介质, 同时借助专用设备在管件两端施加轴向挤压力, 使毛坯管在预先设计好的模具型腔内不断发生塑性变形, 直到模具内表面与管件外壁贴合, 进而得到满足设计技术要求的产品。

1.2 液压成形分类与应用

科学技术的快速发展, 使高压液压成形工艺技术在汽车、航天、化工、航空、船舶、医疗和连接管道等行业被广泛应用。按成形零件的种类, 高压液压成形分为三类: (1) 变径管高压液压成形 (见图2a) , 如汽车的排气系统异型管件; (2) 弯曲轴线构件高压液压成形 (见图2 b) , 如汽车车身框架、发动机整体托架、仪表盘支架; (3) 多通道高压液压成形 (见图2c) , 如各种分支管道连接件。

其中对于如图2 b所示的复杂异型管件, 在应用高压液压成型技术前需要经过弯曲和预成型两道工序。弯曲是为保证管材轴线与产品保持一致, 为预成型和高压液压成型做好准备, 通常利用数控弯管机和先进绕弯工艺控制壁厚变化;经过预成型工序使截面变化较大部位得到充分补料。最后, 通过高压液压成型制造才能达到复杂异型管件的形状与精度要求。

2 管件高压液压成形技术发展现状

2.1 设备工艺力与挤压冲头运动精度

随着液压成形技术的广泛应用于制造工艺的不断改进, 对液压成形设备也提出了更高的要求, 见表1。

目前, 国际上主要以瑞典AP&T公司、德国SPS公司和舒勒公司、美国Hydrodynamics技术公司和ITCliteriaken技术公司为代表的公司能够提供管件液压成形成套技术与设备。国内有南京理工大学、哈尔滨工业大学等机构在从事管件高压液力成形设备研究。并且哈尔滨工业大学的苑世剑教授[3]在双动压力机的基础上研究开发出成形压力最大为400 Mpa, 合模力为1000 t的管件高压液力成形机[2,3], 依靠该机器上他们已经成功开发出多种汽车零部件的高压液压成形工艺。

管件高压液力成形的基本原理是毛坯管内压力、轴向挤压力和模具合模力同步作用下的成形过程。挤压力和内压力是成形过程的关键, 两者数值大小和比例关系直接决定着管件的应变状态和管件材料的变形力大小、变形方式以及变形能力[4]。

图3为轴向力与毛坯管内压力和成形过程缺陷之间的关系[5], 成形过程中破裂和起皱、屈曲等失效现象, 主要是轴向力和管件内压力大小匹配不合理导致, 如图4所示。其中, 起皱是由于内压力低于轴向进给量造成的。破裂主要是由于管件内压力上升过快而轴向进给相对较小导致。高压液压成形模具中靠合模力保证两半凹模在成形过程中不会分离, 进而确保模具型腔尺寸。合模力过小会使两半凹模在管件高压变形时分开, 管材容易形成飞边, 给成形过程带来阻力。除此之外, 多个挤压冲头之间还应该保证运动同步精度。若冲头运动不能保持同步, 在过渡区域将产生较大的剪切变形, 不能保证高压液力成形的可靠性。

2.2 数值模拟仿真

管件液压成形过程是一个位移变化大、转动角度大、变形大的几何高度非线性问题。数值模拟与有限元技术在管件高压液压成形领域的广泛应用, 不但加速了液压成形工艺创新, 并且大大缩短了产品研发周期并降低生产成本。有限元计算模型和工艺参数的选择直接决定着数值模拟结果的准确与否。

图5为一复杂管件有限元分析与试验结果对比分析图, 从图中发现, 建模的准确与否直接反应试验结果。在工艺控制与加载路径设计方面, 研究人员要按照图6所示流程操作。F.C.Lin[6]等利用数值模拟仿真方法研究压力成形T型管时, 发现模具圆角半径与最大内压力对成形的影响, 通过仿真获得样本并进行神经网络训练以确定合理的加载路径;Jae-Bong Yang[7]等以成形圆形截面零件的壁厚波动最小为目标函数, 并假定轴向推进位移与内压力的关系曲线为B样条曲线, 灵敏度的优化方法设计加载路径时, 约束函数为成形零件的形状与设计零件形状之间的距离差值, 最终所设计的加载路径得到良好的成形结果。

2.3 成型工艺参数多目标优化

管坯形状、材料成形性能、模具型腔内几何尺寸、润滑以及摩擦条件、内压力与轴向进给的匹配控制、挤压冲头运动的同步性等工艺参数的合理选取与准确组合直接决定着高压液压成形工艺能否在生产过程中避免开裂、弯曲、起皱、压溃等成形缺陷的产生。

由于高压液压成形技术的非线性特点, 常规仿真分析与单项试验得到的结果数据往往不是工艺参数组合的最优化。国内外学者通过优化算法优化管件塑性变形仿真过程中的工艺技术参数和模具型腔尺寸。例如Fourment利用改进的贝塞尔曲线来描述模具型腔的轮廓尺寸, 并通过直接差分法对所建立目标函数进行灵敏度分析, 从而得到不同设计变量对目标函数的影响程度;Kusiak, chung, Jo等利用遗传算法进行压力成形模具的优化设计[8]。

2.4 新材料应用

管件高压液压成形工艺的适用材料包括不锈钢、碳钢、铝镁合金、铜合金及镍合金等, 不同材料的应用和加工特性在不同领域有着显著区别, 原则上适用于冷成形的材料均可用于高压液压成形工艺。因此采用管件高压液压成形制造时必须考虑零件的最终用途、材料加工特性和制造成本这几个因素。

随着高压液压成形技术的迅速发展, 传统材料在某些方面已经无法满足设计要求, 很多新材料和新技术得到应用。近年来, 高温合金以其优越的性能得到了快速的发展和推广, 替代了不锈钢等传统材料, 更多的应用于航空、航天工业, 并解决了很多关键性难题[9];其次, 随着轻量化技术在汽车行业的快速兴起, 对高强度、低密度的铝合金和镁合金轻量化构件的需求越来越大。Manabe[10]利用LS-DY-NA3D有限元软件, 采用的是4节点Belytsch-ko-Tsay壳单元材料模型, 研究了由圆管液压胀形到方形截面管件时铝合金管A6063工件壁厚的局部减薄和破裂行为, 最后仿真分析模拟结果与试验结果数据一致。

3 管件高压液压成形技术的发展趋势

随着管件高压液压成形技术的不断发展, 该技术成为机械制造领域的研究重点。但该技术在液压成形设备、成形工艺、模具优化设计、数值模拟仿真、成形机理与机电控制等方面还有许多问题需要深入研究:

(1) 高压液压成形设备研制。根据所加工零件的成形特点, 实现配套设备系列化、集成化;重点设计成型模具锁模系统, 确保该系统开合速度快、控制精度高、成本低。

(2) 液压成形工艺优化。在数值模拟技术的基础上, 结合物理实验数据和生产实践经验对液压成形的变形理论进行研究, 明确工艺参数与管件变形关系。

(3) 加载路径规划和优化。高压液压成形加工的成败受加载路径的选择优劣直接决定着, 利用实际生产经验和有限元数值模拟软件开发出便捷、高效的优化设计方法和设计工具, 在较短的时间内获取最优的加载路径。

(4) 成形工艺创新。研发双层管、拼焊管以及锥形管液压成形技术;应用铝合金、镁合金等新材料;改变压力介质, 如热态气体。

4 总结

液压成形技术由于其众多的优越性, 越来越受到人们的重视, 其应用范围也越来越广。我国虽然起步比较晚, 但随着研究的扩大和深入, 液压成形技术将得到进一步的改进和完美。

参考文献

[1]M.Kleiner, S.Chatti and A.Klaus.Metal forming techniques for lightweight construction Journal of Materials Processing Technology[J].Volume 177, Issues 1-3, 3July 2006, P:2-7.

[2]苑世剑著.现代液压成形技术[M].北京:国防工业出版社, 2009.

[3]苑世剑, 何祝斌, 刘钢, 等.内高压成形理论与技术的新进展[J].中国有色金属学报, 2011, 21 (10) :2524-2533.

[4]林乔荣.异形管件液压成形关键技术研究.重庆大学硕士论文, 2003.

[5]Schmoechel D, Hielscher C, Prier M.Developments and perspec-tives of internal high-pressure forming of hollow sections[J].Ad-vanced Technology of Plasticity, 1999, 2:1171-1182.

[6]L.Gao.Classification and analysis of thue hydroforming processes with respect to adaptive FEM simulations.Journal of material processing technology[J].129 (2002) , P:261-267.

[7]Jae-Bong Yang, Byung-Hee Jeon, Soo-Ik Oh.Design sensitivity analysis and optimization of the hydroforming process.Journal of Materials Processing Technology[J].113 (2001) , P:666 671.

[8]郑再象.汽车用异形截面管件液压成形设备及工艺参数研究.南京理工大学博士论文, 2006.

[9]张士宏, 王忠堂, 张伟红.精密管材管件加工成形技术的新进展[J].机械工人, 2005, 7:16-19.