卢振洋1,2,田宏宇1,3,陈树君,1,李方1

增材制造(additive manufacturing，AM)技术又称3D打印技术，是计算机辅助设计与快速成形技术相结合，将材料逐层叠加、沉积成形的零件制造技术。金属材料的增材制造常以电弧、激光和电子束等高能束为热源，其原材料一般为丝材或粉材。随着航空航天、能源动力、国防军工等关键技术领域对金属零件的性能、精度、制造成本等要求的逐步提高，增材制造这种无模具近净成形技术成为国内外的研究热点。该技术具有整体制造周期短，柔性程度高，容易实现数字化、智能化制造等优点。由于热源不同，增材制造技术在成形精度、沉积效率以及对零件复杂程度敏感性等方面存在较大差异。丝材电弧增材制造(WAAM)通常以熔化极惰性气体保护焊(MIG)、钨极惰性气体保护焊(TIG)、等离子电弧焊(PAW)等电弧为热源，将金属丝熔化后按照设定成形路径进行层层堆敷，直至整个零件近净成形[1,2]，如图1所示。与金属材料其它形式的增材制造工艺过程相比，电弧增材制造具有沉积效率高、材料利用率高、制造成本低、对零件尺寸限制少、零件易于修复等优点[3,4]，相关对比如表1所示。另外，电弧增材制造的成形零件由全焊缝金属组成，化学成分均匀、致密度高，在力学性能方面优于铸造件，经过适当的调质手段可与锻件相当，与整体锻造件相比具有强度高、韧性好等优点。在多层堆积过程中，零件经历多次加热，得到多次淬火和回火，可以消除大型铸锻件的不易淬透、宏观偏析、长度和直径方向上强韧性不一致等问题[5]。

然而，电弧增材制造因其热输入高、成型精度相对较低而存在一定局限性。为解决上述缺点，近年来研发出多种为实现高速高效成形[6]、精确控形控性[7]的增材制造复合减材制造的工艺方法。复合制造中的减材制造，通常是待增材后的构件冷却至室温才进行[8]，而这样既增加了整个制造过程的辅助时间、降低了生产效率，又使构件频繁处于加热-熔化-冷却-切削-再加热这一循环过程中，造成构件内部材料组织及力学性能不稳定[9]，不利于构件整体性能的控制。本文调研增减材复合制造方法和关键技术研究现状，金属减材切削机理及带温切削研究现状，旨在探索在增材冷却过程中实施减材加工的可行性，使复合减材加工能够合理利用增材效果，从而达到最佳精度和性能。

1电弧增材制造应用

基于电弧增材制造的诸多优点，该技术被称为一种低能耗、可持续的绿色环保制造技术，特别适用于难加工及贵金属零件的增材制造。电弧增材复合铣削减材的制造工艺在面向航空航天等领域中有所应用，且在轻量化、大型化整体壁板结构制造时具有得天独厚的优势。

在一些大型的金属结构件制造方面，欧洲航天局与英国Cranfield大学合作采用MIG电弧增材制造技术，制造出钛合金飞机机翼翼梁和起落架支撑外翼肋等大型框架构件[10](图2[10])，沉积速率达到每小时数千克，焊丝利用率高达90%以上，该产品的成形时间仅需1 h，产品缺陷很少，他们制造出的1.2 m长钛合金飞机机翼部件，全程只需要37 h。英国洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)以ER4043焊丝为原料，采用电弧增材的方法研制出了大型锥形筒体，高约380 mm；Bombardier公司采用电弧增材技术在大型平板上直接制造了大型的飞机肋板，长约2.5 m，宽约1.2 m。挪威NTi公司采用快速等离子体沉积(RPD)技术为空中客车A350飞机提供钛合金零部件，如图3[10]所示。国内，武汉天昱智能制造有限公司开发的集电弧/等离子弧/激光于一体的微铸锻复合3D打印大型设备，可打印金属范围5 m×2 m×1.5 m，涵盖大、中、小各种规格不同材料复杂制件。

图1

图1丝材电弧增材制造原理图

Fig.1Schematic of the method (a) and manufacturing device (b) for wire arc additive manufacturing (WAAM) method

图2

图2电弧增材制造案例[10]

Fig.2Case applications of WAAM[10]

(a) wing of aircraft work-piece (b) outer rib supporting of undercarriage

图3

图3NTi公司电弧增材制造案例及加工后成品[10]

Fig.3Case applications and finished product of NTi Company using WAAM[10]

注意到，国外机构已经将电弧增材应用于整体壁板结构的制造，并从原型阶段逐步走向实用化阶段。整体壁板结构通常由蒙皮和加强筋等构成，它不仅具有复杂的外形特征，同时还具有交错的内部结构，见图4a[11]。如果采用传统的整体铣削加工，需要从较厚的基板上去除大部分材料，且加工效率低下，见图4b[11]。而如果采用复合制造，其工艺流程见图4c[11]，在较薄的基板上通过电弧增材直接堆积出加强筋结构，再辅以少量的铣削减材提高其成形精度和表面质量，则能够将材料利用率从10%~20%提高到80%以上，同时大幅度提高加工效率和降低成本，为整体壁板结构的制造提供了一条高效、高质、低耗、低成本的新型工艺途径，因而在大力提倡资源节约和高效制造的背景下具有广阔的应用前景。

图4

图4整体壁板结构及其制造流程对比[11]

Fig.4Comparisons of integral panel structure and its manufacturing process (WFR—wire-feed rate,TS—travel speed,WV—welding voltage,SS—spindle speed,TFR—tool-feed rate)[11]

(a) integral panel structure (b) traditional milling process (c) WAAM hybrid milling process

对于所述的复合制造工艺，尽管铣削减材在很大程度上弥补了电弧增材在几何尺寸和表面质量方面的固有不足，但电弧增材属于热加工工艺，铣削减材属于冷加工工艺，在冷、热加工工艺循环交替中存在着较明显的宏、微观误差传递过程，从而制约了该复合制造工艺向高精度、高性能的方向发展。

所谓宏观误差传递是指：在电弧增材中由于温度分布不均和热量累积使得零件各部位的凝固冷却不一致造成残余应力，并引起零件宏观变形，Cranfield大学H?nnige等[12]对单壁墙拉伸应力及其控制进行研究。该零件宏观变形会传递到后续铣削减材中，导致过切或者欠切现象，同时随着材料的不断去除会导致残余应力的部分释放和再分布，并引起零件二次变形，如图5[11]所示。可见，宏观误差传递主要决定了零件的尺寸精度和几何精度。

图5

图5电弧增材复合铣削减材制造中误差传递示意图[11]

Fig.5Schematic diagram (a) and block diagram (b) of error transfer from WAAM to subtractive manufacturing process[11]

所谓微观误差传递是指：电弧增材由于其叠层制造原理以及复杂热输入等特点，所得到的沉积态零件的尺寸、形貌及余热较常规零件存在较大差异；该沉积态零件的尺寸、形貌误差及加工余热会传递到后续铣削减材中，对加工余量、切削温度、刀具磨损等产生一系列影响，进而影响零件表面质量。可见，微观误差传递主要决定着零件表面质量。

2电弧增材制造成形精度控制

2.1焊接工艺因素控制

长期以来，WAAM被定位为用于大尺寸金属零件的低成本、高效近净成形，这对于成形的绝对精度要求不高，但对于成形的稳定性要求极高。不同于激光和电子束，WAAM的熔池体积较大且处于弱拘束状态，其对复杂扰动的抑制能力较低，成形稳定性不足。图6[1,13,14,15]给出了造成WAAM成形不稳定的若干扰动因素，包括起收弧点[13]、大曲率[1]、交叉点[14]等轨迹因素，以及沉积高度[15]、层间温度及散热因素[16]等。基于TIG的上一道堆焊沉积层形貌表现出特定时、空非连续“遗传”特性[17]，已堆积沉积层的表面形貌特征对下一层的形貌有较大影响，因而这些扰动因素会随着零件的大型化和复杂化而更加突显，严重制约着WAAM技术向工业自动化应用方向发展。因此，WAAM能够成熟应用的一个先决条件是在复杂扰动条件下仍然具备稳定的重复再现能力。

图6

图6电弧增材制造中扰动因素[1,13,14,15]

Fig.6Disturbance factors during WAAM

(a) starting and ending point of welding arc[13](b) large curvature[1](c) intersection[14](d) deposition height[15]

针对交叉结构，Wollongong大学Ding等[18]提出了直角搭接的成形工艺，既能够避免交叉点处隆起问题，又能够减少交叉点处应力集中问题。针对拐角和大曲率结构，西北工业大学Geng等[19]对极限几何参数进行了研究，过小角度的拐角和过小曲率半径的圆弧均会产生较明显的成形形貌误差，如图7[19]所示。北京工业大学Li等[1]针对大曲率结构处机械平台加减速对成形形貌的影响进行了研究，提出了一种自适应工艺参数控制算法，一方面焊接速率跟随拐角曲率的增大而自行降低，从而使得机械系统能够平滑换向，另一方面送丝速率与焊枪速率相匹配也随之降低，从而保证拐角处的成形形貌均匀一致，实验中水平方向的最大误差减小55%，垂直方向则减小75%。

图7

图7拐角和圆弧处成形形貌误差[19]

Fig.7Forming morphology errors at corners and arcs[19]

(a) plane shapes with sharp angle of about 20°, 15° and 10° respectively deposited using WAAM

(b) curve shapes with curvature radii of about 20 mm, 10 mm and 5 mm respectively deposited using WAAM

归根结底，造成WAAM成形稳定性不足的一个关键原因是：现有的WAAM技术多是由传统电弧焊接向增材制造的简单移植，而传统的电弧热源通常在“简单轨迹、稳定热扩散、强拘束熔池”的工况条件下进行热量和质量输运而获得冶金结合，其传热和传质具有深度的耦合性，因而难以动态地、自由地配比以适应WAAM中“复杂轨迹、动态热扩散、弱拘束熔池”等扰动条件。

自20世纪90年代英国Cranfield大学在WAAM领域开展了大量开创性工作以来，国内外科研机构在WAAM的成形工艺、应力变形、组织性能、自动化控制等方面开展了广泛研究，取得了显著成果[20]。近年来，随着挪威NTi、澳大利亚AML等公司的成立，标志着WAAM从实验研究阶段逐步迈向大规模商业化应用阶段。

2.2增材成形过程控制

为了实现复杂零件的制造，现有研究通常从单层单道、单层多道、多层单道等基本结构的成形工艺入手。针对单层单道结构，通常借助统计方法，建立典型工艺参数如焊接速率、送丝速率、电压、电流等与成形形貌的数学模型，从而指导工艺参数选择。例如，哈尔滨工业大学Xiong等[21]分别基于神经网络和二次回归方法建立了熔化极气体保护焊(GMAW)增材制造过程的数学模型。北京工业大学Li等基于通用旋转组合方法建立了冷金属过渡气体保护焊(CMT)[22]和Tandem-GMAW[11]增材制造过程的关系模型。针对单层多道结构，最核心的问题是确定相邻焊道的搭接间距，以保证上表面具有较高的平整度。装甲兵工程学院Cao等[23]提出，当相邻焊道中心距与单焊道宽度之比为63.66%时，单层多道结构能够获得较高的表面平整度。

针对多层单道结构，近年来的研究最为广泛，许多薄壁结构件直接由多层单道结构所组成。其难度在于，随着沉积高度的增加，热扩散形式逐渐由向基体的热传导变为向周围空气的热对流和热辐射，热扩散速率变慢，热积累问题突显，导致熔池稳定性控制难度极高。哈尔滨工业大学Xiong等[24]指出在较大焊接电流条件下，金属熔池尽管在第一层能够保持稳定，但在较高层处无法保持稳定而发生流淌，因而只能通过减小焊接电流来避免该问题，这极大限制了沉积效率的提升。Wollongong大学Wu等[25]研究了热积累对于钛合金WAAM的影响，发现随着沉积高度的增加，由于热积累作用使得层间温度变高，产生较严重的材料氧化问题；在前5层熔宽逐渐变大而层高逐渐变小，直到达到热平衡状态，如图8[25]所示。特别地，层高的变化也对电弧形态和金属过渡行为产生一定的影响。针对该问题，Southern Methodist大学的Wang等[26]提出了变工艺参数的控制方案，从第1层到第40层，焊接电流从140 A减小到100 A，随后保持恒定，通过减小热输入来平衡逐渐下降的热扩散，从而获得更加均匀一致的成形形貌。但这种变工艺参数的控制方案很大程度上依赖于经验调节，而且热输入的减小同样会降低沉积效率，这是因为传统电弧热源的传热和传质具有深度耦合性。西北工业大学Geng等[27]将变工艺参数控制从经验上升到理论层面，基于一些假设条件建立了WAAM过程的热学模型，随着沉积高度的增加实时控制层间温度和热输入，从而保证各沉积层具有一致的散热边界条件，进而获得一致的成形形貌。北京工业大学Li等[16]也针对该问题提出了一种基于外部热电辅助制冷的成形调控手段来增强热扩散能力，研究表明外部热电辅助制冷能够显著改变熔池的拘束状态，避免高层处熔池因过热而发生流淌，使得高层和底层保持较一致的成形形貌。这种控制方案不需要改变工艺参数，不会降低沉积效率，但因为需要额外的外部制冷设备而增加了系统复杂度。

图8

图8成形形貌随沉积高度的变化规律[25]

Fig.8Variation of forming morphology with deposition height[25]

以上针对电弧增材制造存在扰动时的成形工艺控制，本质上都是前馈控制，即基于预先获取的扰动数学模型进行工艺参数调节，响应灵敏度很高。但前馈控制的效果受限于对扰动的建模精度，较大的建模误差则可能导致垂直于生长方向上出现累积误差，这直接影响电弧的稳定性，甚至导致后续增材制造无法继续进行。为此，一些研究通过引入传感系统对每一层的成形尺寸进行在线监测和反馈控制，而不依赖于对扰动的精确建模。

哈尔滨工业大学Xiong等[28]建立了一套带有双视觉传感系统的GMAW增材制造系统，焊枪后方的CCD监测堆积层液态熔池尾部的宽度特征，正对焊枪的CCD监测喷嘴到堆积层上表面的距离，并设计了神经单元自学习控制器来实时调节焊接速率，使得最终的成形零件精度优于0.5 mm。Tufts大学Doumanidis和Kwak[29]建立了一套双输入输出闭环控制系统，即通过2套结构光传感器对熔覆层形貌特征进行监测，通过一套红外摄像机对成形件表面温度进行检测，以焊接速率和送丝速率作为控制变量，以熔覆堆高和层宽作为被控变量，实现对成形尺寸的实时闭环控制。WAAM由于热输入高、热源半径大、熔池短流程流动等特征，决定了其成形尺寸对工艺参数调节具有较低的响应灵敏度，给实时反馈控制增加了很多难度。另外，额外的视觉检测系统极大增加了系统的复杂度和成本，并且可能存在物理干涉和视觉盲区等问题，限制了其应用范围。

2.3焊接热源因素和熔滴过渡控制

2.3.1 焊接热源因素

从以上研究可知，目前应用于WAAM的电弧热源可分为GMAW、钨极气体保护焊(GTAW)和PAW三大基本类。特别地，基于GMAW的冷金属过渡技术(CMT)，因其具有超低热输入、熔滴过渡无飞溅、电弧稳定等特征，是目前应用较为广泛的热源。电弧热源输出特性的差异导致WAAM在成形尺寸和效率方面存在较大差异[30]。

无论何种电弧热源，其设计之初的定位是用于焊接而非WAAM。针对WAAM中“复杂轨迹、动态热扩散、弱拘束熔池”等扰动条件，要求电弧热源能够动态地、自由地配比传热和传质，而传统电弧热源难以实现。近年来，一些多电极电弧热源相继提出，如将旁路非熔化极电弧和主路熔化极电弧相复合的双电极气体保护焊(DE-GMAW)[31]、将旁路熔化极电弧和主路非熔化极电弧相复合的旁路电弧耦合等离子焊Arcing-wire PAW/变极性等离子焊(VPPA)/GTAW等，如图9[32]所示，通过合理地分配主路和旁路的电流，即可实现基体热输入和焊丝熔化的解耦控制。此外，哈尔滨工业大学耿正等[33]提出的双丝动态三电弧焊接方法以及北京工业大学Chen等[34]提出的交叉耦合电弧焊接方法，均能够实现热、质解耦控制。

图9

图9旁路电弧控制工艺原理图[32]

Fig.9Schematic diagrams of bypass arc control process (GTAW—gas shielded tungsten arc welding, GMAW—gas metal arc welding)[32]

(a) double electrode GMAW process (b) arcing-wire GTAW process

此类多电极电弧热源已在增材制造领域表现出了较大的应用潜力。哈尔滨工业大学Yang等[35]将DE-GMAW应用于增材制造中，在不改变传质的前提下，通过改变旁路电流能够实现对成形件热输入的有效控制，进而实现对成形形貌的大范围调控，获得宽窄不同的单壁墙结构。兰州理工大学黄健康等[36]将旁路耦合微束等离子弧焊(DE-MPAW)应用于增材制造，通过增大旁路电流，在不降低成形效率的基础上，减小对成形件的热输入，从而更加有利于电弧增材制造。由此可知，多电极电弧热源在增材制造领域的适用性已经得到了初步验证，证明了热、质解耦控制对成形形貌具有较强的调控效果，但如何立足于WAAM在复杂扰动条件下的成形稳定性需求来进行热、质解耦控制仍然缺乏相关的理论研究。

2.3.2 熔滴过渡因素控制

焊丝熔化形成的熔滴是增材制造过程中的基本单元，其尺寸和过渡形式直接影响构件的精度和制造过程。传统电弧热源的熔滴过渡行为实质是液态熔滴在等离子流力、电磁收缩力和自身重力作用下克服自身表面张力而发生的断裂脱离。因此，对于熔滴过渡控制只能通过改善熔滴自身能量积累和引入外力强制过渡来进行。表2简要总结了国内外在电弧热源焊接过程中熔滴过渡控制方面的代表性成果。

表1几种常见金属增材制造技术对比

Table 1Comparisons of several additive manufacturing methods of metal material

新窗口打开|下载CSV

由表2可知，通过调制特殊波形的电流可使熔滴过渡特性得到改善，虽然在减少热输入、抑制飞溅上有所贡献，但在另一方面也增强了熔滴过渡与焊接电流的耦合度，焊接过程中的传质在一定程度上会受限于传热的要求。且仅依靠熔滴自身的能量积累改变过渡机制对基材和填充材料的能量分配调控具有一定的贡献，但是从原理上单纯依靠自由电弧作用在熔滴上的合力难以对熔滴的运动过程进行有效控制，而机械力、外加磁场、超声和激光增强等则难以提供足够大的附加力和指向性从而实现熔滴的定量定向过渡。对于增材制造的熔滴过渡而言，其与焊接过程的最大区别在于增材制造对熔滴落点的位置和温度场要求严格以保证增材的制造精度和性能，因此对丝材形成的熔滴尺寸及其一致性、熔滴和基材的温度匹配以及熔滴过渡的指向性和稳定性提出了更高的要求，这些指标依靠目前焊接过程的熔滴控制手段都难以满足。

等离子弧对熔滴的作用力为等离子流力，其物理过程可描述为等离子射流高速冲刷作用下的丝材熔化、脱离，以及等离子体射流对金属熔滴的输送过程，熔滴的运动有良好的指向性。因此，等离子弧具有足够的强度且在对熔滴飞行路径的控制上更具优势，从而更适合于丝材电弧增材制造。研究人员提出的交叉电弧复合热源是一个通用模型，囊括了所有多电极耦合电弧工作模式，改变电极数量和极性分布即可按需构建不同的电弧热源。多电极耦合热源可根据实际需求调整热质力的组合，实现熔滴尺寸、动量和能量的精确控制，将丝材熔化过程和脱离过程彻底解耦，为实现复杂结构件的准确制造奠定基础，使以往难以制造的全新结构推向可能。

综上所述，国内外学者针对以电弧为热源的增材制造技术开展了大量实验工作，在现有电弧焊接工艺的增材制造能力评价、复杂结构增材规划、组织演变规律和性能优化方面取得了研究成果，但是上述研究均基于现有的焊接电弧热源，简单地将焊接过程转移到增材制造方面，并未针对增材过程特殊的环境热力需求、熔滴需求、熔滴传输方式、熔滴弱拘束定型凝固、熔滴间/层间的冶金结合等增材制造的物理过程开展系统研究，忽略了熔滴脱离时的动量以及接触基板时的环境温度的精确控制，而这恰恰是提高电弧增材制造精度的关键所在。

3电弧增减材复合制造精度控制

3.1增减材复合制造方法

近年来，针对电弧增材制造技术开展的大多数研究工作主要集中在成形系统研发、工艺控制、过程监控、成形件微观组织特性及其力学性能分析等。为控制成形精度和性能需要，国内外研究机构将不同的增、减材制造工艺进行集成，开发出了多种类型的复合制造系统。目前，主要有2种方式，一种是将焊接设备与数控机床复合；另一种是将焊接设备与多自由度机器人复合。

Karunakaran等[3]提出了基于电弧焊和铣削的复合制造系统，将脉冲气体保护焊机集成到一个三轴数控机床上，每堆积一层后，只进行上表面铣削，直至近净成形完成，最后再进行外轮廓铣削以保证成形精度。Song等[37]将电弧增材与铣削减材复合开发出了类似的制造系统，不同的是每堆积完一层后，同时对上表面和侧面轮廓进行铣削，然后再堆积下一层直至整个零件制造完成。Jeng和Lin[38]提出了选择性激光熔覆和铣削复合加工技术，该系统由CO2激光器、同轴送粉系统、四轴联动加工及控制系统等组成，每沉积2层或者3层后再进行平面铣削，兼顾了成形效率和质量。华中科技大学Xiong等[39]提出了基于等离子熔积成形和数控铣削的复合制造技术，利用了等离子束成形技术具有热输入量大、光斑半径小、能量集中等优点，因而堆积速率更快，成本也更低。

英国Cranfield大学H?nnige等[40]在铝合金电弧增材制造中复合辊压工艺对构件残余应力和变形进行控制。北京航空航天大学Sun等[41]应用电弧丝材增材复合激光冲击喷丸技术对2319铝合金材料的微观结构、残余应力和拉伸性能等进行控制。Wollongong大学Ding等[18]设计了一个集工艺路径规划、焊缝监控、焊接参数设定以及减材后处理的软件控制系统，完成了对大型结构件的增减材复合制造，如图10[18]所示。

图10

图10电弧增减材复合制造软件系统及其零件[18]

Fig.10Hybrid manufacturing system and its part[18]

(a) one direct and two crossing method (b) finished part

Zhu等[42]针对复合制造系统提出了软件规划流程，包括零件特征提取、沉积方向规划、工艺序列规划、刀具路径规划等10个关键步骤，从而提高了系统的自动化程度。

以上研究偏向于系统硬、软件层面上的集成和开发，而对于应力和变形问题则关注较小。Zhu等[43]还研究了复合制造工艺中零件变形受分层厚度和工件尺寸的影响规律，但该研究依赖于大量的实验数据，且只针对非金属材料。

3.2增材制造中应力变形研究

在增材制造中，由于温度分布不均和热量累积使得零件各部位的凝固冷却不一致造成残余应力，并引起变形和开裂等工艺缺陷，科研人员从不同的角度提出了减小残余应力和变形的方法。Foroozmehr和Kovacevic[44]比较了4种不同的沉积路径对于残余应力分布的影响规律，结果表明沿短边方向的沉积路径能够提高零件的平均温度，进而产生更小的残余应力。Denlinger和Michaleris[45]提出在零件的两侧交替堆积等量的材料来抵消变形，实验表明该方法能够减小91%的变形，但其缺点是降低了加工效率和浪费了部分材料。

文献中用于计算应力和变形的数学工具主要包括有限元法和固有应变法。有限元法[46,47]可以跟踪整个增材制造中的加热和冷却过程，以给定的时间步长，计算出零件每一时刻的温度场以及由温度变化所引起的应力应变增量，逐步累计叠加，最终得到的则为残余应力与变形。有限元法从原理上可以分析任何复杂零件的残余应力和变形，但其缺点是计算耗时长、效率低。Ding等[46]运用有限元分析方法研究了单壁墙体件夹紧方式对应力变形的影响。研究发现沿墙体生长的方向应力在松开夹紧时有一个明显的降低，而对于多层沉积的薄壁墙体，4层沉积与8层沉积后的应力区别不甚明显。

固有应变法[48,49]通常用于焊接领域，它避开了对整个焊接过程的分析，着眼于焊接以后在焊缝和近缝区存在的固有应变，即残余塑性应变，该固有应变决定了零件最终的残余应力和变形。固有应变法通常采用“杆-弹簧”等效模型，如图11[48]所示，将零件中某一区域在膨胀或者收缩时受到的约束作用用弹簧来表示，使得求解能够解析化。该方法计算效率高，但计算精度相对较低。

图11

图11固有应变法等效模型[48]

Fig.11Equivalent strain model with inherent strain method(ksis the stiffness of spring element;kRxandkRyare the residual inherent strain equivalent stiffnesses onx-axis andy-axis, respectively;TGxandTGzare the temperature gradients onx-axis andz-axis, respectively)[48]

3.3减材制造中应力变形研究

在传统的减材制造中，随着材料的去除，一方面会引起零件初始残余应力的释放和再分布；另一方面由于切削力和切削热的耦合作用在零件的表层产生新的残余应力。关于初始残余应力方面，Huang等[50]研究了在铝合金加工过程中，初始残余应力和引入的表面残余应力对于加工变形的影响，提出了解析计算方法和有限元计算方法，结果表明当基体厚度小于1.25 mm时，引入的表面残余应力对于变形起主导作用。孙杰和柯映林[51]研究了毛坯的初始残余应力对于大型整体结构件加工变形的影响，对单向应力作用的矩形截面梁在剥层过程中的变形挠度进行了理论求解，与有限元计算值吻合度较高。

关于引入的表面始残余应力方面，Liu等[52]进行了硬态车削轴承钢材料的实验，得到了刀具角度和刀具磨损对表面残余应力的影响。Coto等[53]研究了不同工艺参数对钢材切削加工的影响，发现进给量的增加会导致更大的表面残余拉应力，而切削速率的增加却会降低表面残余拉应力。Umbrello等[54]借助有限元和切削实验的手段，提出了基于神经网络的表面残余应力预测模型。

3.4增减材复合制造中应力传递研究

Salonitis等[55]进行了激光熔覆增材成形复合减材制造的变形-应力联合数值仿真。首先对增材进行仿真，发现残余应力主要集中在工件与基体接触处以及上表面处，而变形集中在工件中部。然后将增材仿真结果作为减材仿真的输入条件，发现减材只能修正部分变形，这是因为有较大初始残余应力的存在，结果如图12[55]所示。该研究较好地阐明了复合制造工艺中的应力传递问题，但它只考虑了一次应力传递过程，且仅仅依靠数值仿真的方法难以得到一般性和规律性的结果。

图12

图12增减材复合制造中的变形-应力联合数值仿真[55]

Fig.12Numerical simulation of deformation (a, b) and stress (c, d) in additive hybrid subtractive manufacturing process (δtopis the deformation on the top, andδmaxis the maximum deformation in the direction of altitude)[55]

王树宏[56]通过应用弹性力学理论推导出了二维连续铣削过程中工件内应力再分布及其引起的变形量计算递推公式，并分析初始残余应力对工件变形的影响。以上研究均表明，由于初始残余应力对加工变形的影响较大，在实际生产中通常需要对材料进行预处理，对于铝合金而言常用的预处理方法包括时效处理法、机械拉伸法、深冷处理法、振动消除法等[57]。但在增减材复合制造中，减材制造与增材制造工艺交替进行，因此无法采用上述预处理方法来消除增减材复合制造的残余应力。

4增减材复合制造温度因素影响

增材制造中由于沉积层层间温度变化，对成形构件的内应力及变形造成很大影响。昆明理工大学祁冬杰[58]针对熔融沉积成形(fused deposition molding，FDM)工艺中沉积过程的温度场及应力场进行研究，认为丝材已沉积层与新沉积层的温度差异是导致材料内应力及不均匀收缩的关键因素。而沉积后的翘曲变形是由于热塑性材料不均匀收缩，从而产生的材料间应力所致。

Aggarangsi和Beuth[59]采用前置和后置局部预热来调控零件的温度梯度，能够较小幅度地减小残余应力；而当采用均匀预热的方法时，能够减小18%的残余应力，效果更为明显。Colegrove等[60]将传统的轧制工艺引入到电弧增材制造中，能够有效地减小零件的残余应力和变形，并且能起到改善晶粒组织的作用。Vastola等[61]研究了束斑尺寸、功率密度、扫描速率、基板预热温度等工艺参数对残余应力的影响规律，结果发现合理的基板预热温度能够最大程度地减少残余应力。Bai等[62]在电弧增材制造中引入了额外的感应加热作为第二热源，并对无第二热源、提前预热和焊后持续加热3种状态下的残余应力进行分析，结果发现后2种方案都会增加热输入量并减小残余应力，而且提前预热的效果更为明显。

综上所述，通过对增材制造层间温度的研究，证明增材层间温度的累积和温度的不均匀性是造成成形构件残余应力和变形的关键因素，减少层间温度差异能够改善晶粒组织和有效减少残余应力和变形。对于增材制造复合铣削减材工艺，采用一边增材一边减材制造时，由于增材后温度累积叠加，后续减材若等到材料冷却至室温再进行，势必造成层间温度差异加大，同时耗费制造辅助时间，降低生产效率，耗损增减材复合制造总体能量。合理利用增材后层间温度，适时进行带温减材切削加工是解决该问题的良好解决方案。

4.1加热辅助切削减材研究

涉及到带温切削(或称加热切削)的研究不同于传统的切削，针对加热切削相关研究主要集中在难加工的脆硬性材料如陶瓷和半导体等上，围绕零件加工表面质量保证和表面完整性及内部性能开展研究。Mohammadi和Patten[63]针对脆硬性材料，切削时在零件被切削点处采用微激光辅助加热，利用材料加热后的热软化效应提高材料去除率，且减少了金刚石刀具的磨损。研究表明材料在脆性区、过渡区和塑性区尽管表面光滑，而内部由于连续加载而产生的裂纹深度不同，切削区域越接近脆性区产生的裂纹越深。该研究说明高温切削带来的加工区域材料延展性提高，有利于减轻内部裂纹深度扩展程度。Ravindra等[64]研究发现高温能减小材料的弹性模量系数，使脆硬性材料在高温下切削时处于高延展性和热软化状态，进而更易于切削。Ma等[65]对生物陶瓷材料进行3D数值模拟，分析了材料在塑性区域加工时工件初始温度、刀具前角、刀具圆角半径和进给速率之间的关系。指出对于脆硬性材料，在塑性区切削能够减少表面层和次表面层损伤的概率；并且得出平均临界进给速率随基体温度升高而增大，而在超过800 ℃以后变化加剧。Kizaki等[66]对氧化锆陶瓷材料采用直接加热辅助铣削工艺，应用中心复合设计法设计一系列直线铣削实验，证明提高工件温度明显减少切削阻力和刀具磨损。Kim和Lee[67]应用激光往复预热的方法对工件加工区域加热，对氮化硅材料进行了激光辅助加热端铣切削研究，实验证明激光预热和保温装置同时运用可以有效软化被加工材料，减小切削力，降低刀具崩裂和振颤出现的概率。

高温合金材料存在切削力较大、切削温度高、刀具磨损和加工硬化严重以及断屑困难等特点，镍基高温合金Inconel 718属于典型的难加工材料，近年来国内外涌现出很多热辅助切削的相关研究。Tadavani等[68]通过加工比能、表面粗糙度、刀具磨损和切屑外观几个方面，观测了脉冲激光辅助切削工艺下镍基高温合金的切削行为。Venkatesan[69]也对镍基高温合金在激光辅助加热铣削的切削力、表面完整性、刀具寿命和切屑进行了研究。Kim和Lee[70]对比了Inconel 718和AISI 1045 2种材料在辅助加热时的切削力和预热温度情况。Lee等[71]对Ti-6Al-4V合金材料进行200 ℃预热后铣削，得到水平X和Y向切削力减少了53%~65%。Xi等[72]也对Ti-6Al-4V合金材料在加热切削时的切削力和切屑形状进行了研究。

4.2增减材复合制造中减材切削机理研究

随着计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)以及计算机辅助工程(CAE)分析技术的日新月异，通过有限元方法进行的切削机理研究较为盛行，研究包括宏观层面的切削力、切削温度场、切屑形式及刀具磨损的研究，还包括微观层面的表面层及内部晶粒在切削过程中的受力和变形等。

研究人员对增材后复合减材的形貌及切削工艺参数进行了一定的研究，而该部分研究多针对FDM工艺后的表面处理[45,73]。同时，国内外各研究机构对金属材料车削加工、车铣复合加工后的表面微观几何形貌、表层晶粒细化及成形特征以及切削表面位错密度和晶粒细化进行了大量研究[74,75]。结果表明，对于传统材料和传统铸锻毛坯的减材切削机理研究较为广泛与完善，而针对通过增材制造后构件产品的减材切削和平整加工研究较少，针对增材构件的带温减材切削机理研究则几乎没有。

5总结与展望

基于金属丝材增材制造的低成本、高沉积率和成形容易等特点，近年来围绕其相关研究层出不穷，本文针对丝材增材制造构件的成形精度控制进行总结，主要研究工作集中在以下方面：

(1) 从电弧增材制造的焊接热源、熔滴过渡、送丝速率，以及起收弧点等焊接工艺因素方面控制成形。由于构件热扩散性随堆积层的增高而降低，造成层间温度累积，许多研究考虑到不同层数道数的沉积方法设计问题。为降低层间温度梯度而进行的层间主动控温研究也有一定成果。

(2) 考虑到增材后构件成形精度精确控制，一部分学者采用增减材复合制造工艺，大大改善了构件的表面精度。部分学者对金属材料增减材复合制造过程中的应力传递、热传递以及误差传递等问题进行了研究。

(3) 为实现控形同时提高增减材复合制造效率，打造良好的构件性能，研究也考虑到利用丝材增材的温度累积现象，探讨在增材制造同时复合带温减材加工，以期减少构件因经历反复增材加热和减材降温过程造成的大应力残留，并缩短复合制造降温辅助时间、提高制造生产率。并且，从金属焊接冶金学方面考虑，带温减材工艺可有效提高金属切削性能、细化切削层表面晶粒、同时保护刀具减少磨损。

总结学者对难加工金属主动加热减材工艺方法，电弧增材复合带温铣削减材制造工艺方法是在原有的增材制造、被动降温，然后减材的现有工艺基础上提出的一种制造的新模式。针对增材后构件的表面形貌、应力误差传递以及带温切削机理的相关问题将是未来的重要研究方向。

来源--金属学报