高端金屬零件微鑄鍛銑復合超短流程綠色制造方法及其能耗分析

張海鷗 黃 丞 李潤聲 張 華 陳君文 馮抗屯 王桂蘭

1.華中科技大學機械科學與工程學院，武漢，4300742.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，武漢，4300813.中航飛機起落架有限責任公司，長沙，4102004.華中科技大學材料科學與工程學院，武漢，430074

0 引言

少污染、省資源、和諧可持續是全球生態環境和經濟社會發展的要求，這使綠色設計制造的理念受到廣泛關注。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、省材節能、污染小等優點，故作為一種新型綠色制造方式，也同時被列為《中國制造2025》重要研究內容。

綠色設計也稱生態設計，是一種全新的設計理念，它不同于傳統的過度以人為中心的設計理念，在設計中同時關注資源的利用、能源的消耗，以及對環境的影響[1]。綠色設計與制造是制造業發展的必然趨勢。

與傳統制造技術相比，增材制造除具有可制造復雜形狀和梯度材料零件等優勢外，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可進行輕量化省材的拓撲優化設計；③替代部分有模鑄造，省材節能少污染。因增材制造采用粉末、絲等材料和逐點成形的方式，且無鍛造過程，故亦可看成是一種成本較高、效率較低的綠色數字化無模鑄造成形方法。

本文在分析綠色設計制造核心思想和增材制造技術特點的基礎上，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能少污染的綠色制造特點及相應效果。

1 綠色設計制造理念在增材制造中的體現

增材制造的諸多特點契合綠色設計制造的核心思想，采用綠色設計體系結構可分析綠色設計制造理念在增材制造中的體現。

(1)產品結構設計。綠色設計制造要求盡量減小產品體積，即減少所用的材料。增材制造采用分層堆積的方式進行成形，將三維模型降為二維進行制造，理論上可實現任意復雜形狀的結構，為輕量化拓撲優化結構設計制造提供了可能。空客A380機翼翼梁采用拓撲優化算法進行結構設計[2]，減重效果達到了45%，而減重后的不規則拓撲形狀特別適合采用增材制造方法成形。

(2)材料選擇。綠色設計制造要求材料在性能符合設計要求的同時對環境盡量友好。如德國EOS公司研發了聚醚醚酮高性能材料，抗拉強度達到95 MPa[3]；采用碳纖維等高強纖維復合材料，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、有機高分子材料等綠色材料。

(3)產品資源與環境設計。綠色設計制造要求對環境影響小，資源消耗少。增材制造流程短、集成度高，能與銑削、壓力加工、高速噴涂等技術復合，從而衍生出更為豐富的工藝技術。在制備貴重金屬零件尤其是薄壁零件時，相較于常規加工中對毛坯件的大規模耗時耗刀具的銑削加工方法，采用增材制造方法可實現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間的浪費。

2 超短流程綠色制造新方法

近年來，伴隨著航空航天、艦艇、核能及高鐵行業的飛速發展，各類高性能金屬零件的需求大幅增加。現有金屬零件增材制造實現方法雖然很多，但是能實現工程應用的并不多，特別是高端關鍵金屬承力件因對其致密度和力學性能(尤其是疲勞性能)有著嚴格的要求，僅采用常規增材制造方法很難達到要求，需要通過傳統有效的鑄鍛技術來獲得滿足性能要求的制件。此類高端金屬鍛件的傳統制造工藝流程如下：鑄造、反復鍛造及熱處理、拼焊、粗加工、精加工、后熱處理等，生產流程及周期長，材料利用率低，資源消耗大。

中國是世界上鑄件產量最高的國家，每年為4 000～5 000萬噸[5]，鑄造行業能耗巨大，約占機械工業總耗能的25%～30%。總體上，我國在鑄造業技術指標上與工業發達國家相比仍有較大差距，鑄件生產的平均能耗較工業發達國家高出一倍多，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%，導致資源綜合利用率低。

傳統鍛造工藝過程一直以高能耗、高污染著稱，其能耗約占機械工業總耗能的25%，而高性能大型金屬鍛件的鍛造過程依賴重型鍛壓機，鍛壓機根據傳動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，能量轉換形式為電能—機械能—液壓能—機械能—變形能，能量轉換過程冗長，有效轉換率低下[6]。

長期以來，國內外制造業雖對耗材耗能重污染的傳統鑄鍛行業進行了大量綠色節能化改造，但因未能從頂層上對制造流程整體進行綠色化優化，大都只對各單元工序進行了一定程度的節能減排及優化處理，雖有局部效果，但總體成效不顯著。華中科技大學發明的“智能微鑄鍛銑復合制造”技術，將高效低成本的電弧微鑄增材成形與連續微鍛等材成形同步復合，并在同工位集成了銑削減材成形方法，改變了傳統的鑄鍛焊銑多工序分步、依賴鑄鍛銑多臺重裝備的制造長流程，實現了以一臺鑄鍛銑合一裝備及超短流程工藝制造零件的技術變革。該技術基本原理如圖1所示：以邊鑄邊鍛的成形方式，在成形材料的半凝固/剛凝固微區對其進行同步連續微鍛造，使其晶粒細化，得到傳統鍛造很難得到的均勻等軸細晶，并改善成形性及成形件形貌，使其力學性能達到或超過傳統鍛造的性能水平；此外，在同一設備工位不變的情況下，采用數控銑削方式去除后續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雜形狀、材料利用率高、機械加工余量小的特點，實現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

智能微鑄鍛銑復合制造技術現已實現高溫合金、鈦合金、超高強鋼、奧貝鋼、碳鋼、鋁合金等材料零件的綠色低能耗短流程制造。

以筆者所在團隊采用微鑄鍛銑技術制造的航空過渡段零件(材料為45鋼)為例進行說明。圖2為試樣熔池中部在100 倍光學顯微鏡下的金相圖，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化，形態更為均勻，呈等軸晶狀，達到鍛件微觀組織形態。

(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

樣件力學性能見表1，其性能參數[8]均超過了鍛件技術標準。

表1 45鋼樣件性能參數

3 制造過程能耗分析

以一航空起落架外筒零件為例，比較微鑄鍛銑復合制造方法與傳統制造方法的能源消耗。該零件的形狀結構如圖3a所示，結構為近似扁平翼形，內部具有空腔，且具有多安裝位，結構復雜。

3.1 傳統制造過程能源消耗

該零件傳統制造流程為造型—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間才能完成。從鍛坯到零件的制造過程中銑削去除量大，達到80%以上，且銑削去除部分很多乃鍛造質量更佳的外部區域，可能因此導致零件質量不達標，進而降低零件成品率。

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

將此鑄坯加熱后采用24.50 MN(2 500 t)快鍛機或15.68 MN(1 600 t)水壓機分四火四工步分別進行鐓粗、拔長和壓扁等自由鍛工序，冷卻后進行吹砂打磨除去表面缺陷，再通過630 kJ的對擊錘設備進行模鍛，分四火重擊成形，終鍛溫度不低于850 ℃，最后經熱處理及機加工得到最終鍛坯，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 外筒零件結構及鍛坯尺寸示意圖Fig.3 Structural diagram of outer cylinder parts and dimension diagram of forged billet

終鍛坯件的機加工工藝流程為粗加工—超聲波檢測—消除應力—精加工—最終熱處理—無損檢測—精加工—表面防護等。

由于鑄造、鍛造和銑削過程本身均為復雜的多工序制造過程，涉及的設備繁多，其能量模型難以通過準確的數學模型表達，且難以測量每一工步的具體實際能量消耗，故在本文中，根據國家統計的鑄造與鍛造行業單位產量的平均能耗來估算零件的生產能耗。

據2010年統計資料，我國鑄鐵生產平均能耗[9]為610 kg(每鑄造一噸鑄鐵所需要消耗標準煤的千克數)，“十三五”計劃在2020年將該數值降至400 kg，根據《綜合能耗計算通則》(GBT 2589—2008)，每千克標準煤的發熱量為29 307 kJ。據此估算鑄造毛坯能耗

E1=400×29 307×0.8=9.38×106(kJ)

據Carbon Trust統計資料[10]，鍛造行業單位產量能量消耗值為3.53 kW·h/kg，據此估算此鍛坯生產過程能耗

E2=680×3.53 =8.64×107(kJ)

銑削過程能耗計算可以通過直接能量法和能量模型法來計算。直接能量法考慮加工過程中各個模塊的實際能耗累加，包括機床空載、主軸運轉、工具系統(切削液、照明、冷卻)、伺服系統等模塊，即

Etotal=Espindle+Efeed+Etool+Ecool

式中，Etotal為機床總能耗；Espindle為主軸能耗；Efeed為進給能耗；Etool為工具系統能耗；Ecool為冷卻系統能耗。

能量模型法主要是基于切削去除率和機床特征參數建立機床的能耗模型，其中文獻[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為系數常量；b為固定比能。

k、b與切削參數相關，需通過實驗確定。

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

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

3.2 微鑄鍛銑過程能源消耗

微鑄鍛銑復合制造技術基于逐層堆積凈近成形方式，預留加工余量小，材料利用率可達80%；在微鑄堆積成形的同時，微型軋輥實時熱鍛，工序緊湊高效，無需大型設備。輔助以在線視覺形貌檢測與紅外內部缺陷監測，能及時發現并去除內部及表面缺陷，避免成形完成后由于出現內部缺陷及形狀尺寸的超差而導致零件報廢，大大提高了零件的合格率。

對于微鑄鍛銑技術，微鑄過程由電弧融化凝固過程演變而來，實質上是將金屬絲材通過電弧進行加熱融化并按照預先規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通過軋輥對剛凝固熔積層進行連續鍛壓，使其產生塑性變形。采用課題組自主開發的復合增減材路徑規劃軟件對外筒零件CAD模型進行分層切片路徑規劃(圖4)，進而得到每層的數控G代碼，再通過五軸數控機床驅動焊槍與軋制系統成形零件。

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

微鑄鍛過程能耗可以分為焊機能耗與機床能耗兩個部分。本實驗實際功耗由YOKOGAVA WT1800高性能功率分析儀測定，Fronius VR7000-CMT焊機和微鑄鍛五軸數控平臺的功率分析曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 Fronius VR7000-CMT焊機功率曲線Fig.5 Power curve of Fronius VR7000-CMT

圖6 數控平臺功率曲線Fig.6 Power curve of numerical control platform

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

式中，P1為焊機工作功率；t1為焊機工作時間；P2為焊機空載功率；t2為焊機空載時間。

表2 電弧微鑄鍛銑焊機參數

實測焊機工作功率為8.1 kW，空載功率0.3 kW，根據G代碼中堆焊與空載分別對應的軌跡長度及其進給速度計算對應堆焊與空載時間，得焊機堆焊工作時間為1.3×105s，空載時間為0.3×105s，理論制造總時間為1.6×105s，僅為45 h，遠低于傳統1～2月的制造全生產周期，據此計算焊機能耗

E4=(8.1×103)×(1.3×105)+(0.3×103)×

(0.3×105)=1.06×106(kJ)

打印過程主軸無運轉，機床參數如表3所示。機床能耗主要由X、Y、Z方向電機產生，電機在機床運動參數改變時，往往會存在功率先增大后減小再穩定的過程，故需要對機床的功率曲線進行積分運算得到實際能耗。軋制機構集成在機床控制系統中，由機床供電運行，用于完成對熔積層的連續鍛壓。實測機床行走功率為2.3 kW，空載功率1.7 kW。機床功率積分計算模型如下：

(2)

式中，P3為數控平臺功率；t3為數控平臺運行時間。

表3 電弧微鑄鍛銑機床參數

打印全過程數控平臺功率對時間進行積分計算得到機床能耗E5=4.5×105kJ。

銑削過程，對機床能耗進行測定，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，進給速度為600～1 200 mm/min，測試計算得到單位體積切削比能為5.1 J/mm3。

圖7 數控平臺銑削功率曲線Fig.7 Milling power curve of NC platform

計算銑削過程能耗

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

3.3 結果對比及分析

傳統制造工藝各工步能耗與微鑄鍛銑能耗統計結果見表4。

由對比結果可知，對于此外筒零件，采用傳統制造方法的能耗為采用微鑄鍛銑技術的33.3倍，材耗為微鑄鍛銑技術的6.7倍，生產周期由數月縮短至數天，節能減排效果十分顯著。若再考慮零件實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，微鑄鍛銑技術的優勢將會進一步彰顯。

表4 傳統制造工藝與微鑄鍛銳復合制造工藝能耗對比結果

各個能耗模塊中微鍛過程的節能效果最為明顯，其能耗不足傳統鍛造的百分之一。原因在于微鍛過程在成形的同時使用了不足傳統鍛造壓力千分之一的連續微型軋制力，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部冶金微孔及缺陷、細化晶粒、將自由增量成形柱狀晶改變為鍛造態的等軸細晶，從而提高成形質量和組織均勻一致性及穩定性，得到高強韌性、高疲勞壽命、高可靠性的高端金屬鍛件。無需像傳統鍛造那樣多次反復加熱鍛壓，極大地減小了能耗，提高了生產效率，并擺脫了對大型鍛壓機的依賴。

4 結論

本文在綜合分析傳統制造和微鑄鍛銑復合制造兩種方法的技術經濟環保特點的基礎上，以飛機起落架外筒零件為例，建立了微鑄鍛銑復合制造的能耗模型，分別計算對比了兩種方法的能耗、材料損耗以及生產周期。研究結果表明：前者能耗為后者的33.3倍，材耗為后者的6.7倍，后者的生產周期縮短至數天。微鑄鍛銑技術將重裝長流程分離的鑄鍛焊削多單元制造集成至一個輕裝短流程省資源綠色制造單元內，僅用一臺設備完成由絲材到零件的全周期制造，大大降低了設備投資、運行和原材料成本。綜合結果顯示：本項微鑄鍛銑復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。