1、引言
随着现代制造业的飞速发展，复杂结构零件在航空航天、汽车、机械、医疗器械等高端领域的需求日益攀升。此类零件往往具有独特的几何形态、精细的内部构造以及严苛的性能指标。传统加工工艺在制造复杂结构零件时暴露出诸多弊端，如加工难度大、材料利用率低、生产周期长且难以精准加工复杂内部结构。增材制造技术的诞生为复杂结构零件制造带来新机遇，其基于离散—堆积原理，可直接将数字模型转化为实体零件，具备高度的灵活性与自由度，能实现复杂形状构建。然而，单一的增材制造或传统加工工艺难以满足高端复杂结构零件对精度、表面质量、力学性能等全方位的要求。在此背景下，增材制造与传统加工复合工艺应运而生。该复合工艺有机融合增材制造与传统加工的优势，形成优势互补，既能发挥增材制造在复杂形状构建上的特长，又能借助传统加工保障精度与表面质量，从而有望攻克复杂结构零件制造难题，实现高质量、高效率、低成本的生产目标[1]。本研究将全面深入地探究这一复合工艺在复杂结构零件制造中的应用与优化路径，助力制造业攻克高端复杂结构零件制造难关，推动产业升级。
2、增材制造与传统加工复合工艺概述
2.1增材制造工艺
增材制造，即3D打印，涵盖选择性激光熔化（SLM）、电子束熔丝沉积（EBM）、熔融沉积成型（FDM）、立体光刻（SLA）等多种工艺。以SLM为例，其利用激光逐层熔化金属粉末，特别适用于航空航天高端领域，可制造高精度、良好力学性能的金属零件。FDM则因成本低、操作简便，在原型制造及非金属零件制造中广泛应用[2]。增材制造的优势在于快速响应复杂形状制造需求，无需专用设备，缩短产品开发周期，但在精度、表面粗糙度、内部缺陷控制及材料性能一致性方面存在不足。
2.2传统加工工艺
传统加工工艺以切削加工、铸造、锻造为代表。切削加工依靠刀具与工件相对运动去除材料，实现高精度和优质表面质量，在大规模生产及精加工环节占据主导。铸造通过浇注液态金属成型，锻造借助压力使金属塑性变形。这些工艺技术成熟，但在面对复杂结构零件时，存在加工难度大、材料浪费、模具成本高以及内部结构加工困难等问题。
2.3复合工艺的形成与发展
为克服单一工艺局限，增材制造与传统加工复合工艺应运而生。早期应用多为增材制造完成主体结构后，利用传统加工进行局部精加工。随着技术演进，复合工艺形式日益丰富，如在增材制造过程中嵌入传统加工修整，或借助一体化设备实现紧密集成。当前，该复合工艺发展迅猛，新工艺组合与应用案例不断涌现，吸引全球科研机构与企业投入研发，成为复杂结构零件制造领域的研究热点。
3、增材制造与传统加工复合工艺在复杂结构零件制造中的应用
3.1工艺规划与设计
（1）分析零件结构特点与要求。复杂结构零件常包含薄壁、悬垂、微小特征结构以及内部通道等关键部位，对尺寸精度、表面粗糙度、力学性能等有严苛要求。以航空航天发动机叶片为例，其型面精度、前后缘锋利度及内部冷却通道的精度与表面质量至关重要。在工艺规划前，需深入分析零件CAD模型，精准识别这些关键部位及其性能指标，为后续工艺设计提供依据。
（2）工艺分解与流程设计。依据零件结构与性能要求，将制造过程分解为增材制造与传统加工阶段。对于难以通过增材制造直接达标的部位，如高精度配合孔、复杂螺纹等，安排在增材制造后进行传统加工。同时，合理确定加工顺序、余量及工艺参数。例如，制造含复杂内部支撑结构的机械零件时，先增材制造内部支撑框架，预留加工余量，再通过铣削等传统加工获取精准外部形状与尺寸。
（3）工艺模拟与优化。借助CAPP与虚拟制造技术模拟工艺流程，预测增材制造中的变形、缺陷及传统加工中的切削力、刀具磨损等问题。根据模拟结果优化工艺参数，如调整增材制造扫描路径、传统加工切削速度与进给量，增强工艺可行性与可靠性，降低风险[3]。
3.2材料选择与适配
（1）增材制造材料特性与选择。增材制造材料须具备良好的可加工性，常见金属材料有钛合金、铝合金、不锈钢等，非金属材料包括塑料、树脂等。材料的粉末粒度分布、流动性、氧含量等参数对成形质量影响显著。钛合金因高强度、低密度、耐腐蚀性等特点，在航空航天领域用于制造复杂发动机部件[4]。选择时需关注粉末粒度与氧含量，避免铺粉不均与氧化缺陷。
（2）传统加工对材料的影响与要求。传统加工对材料切削性能有特定要求，如硬度、韧性、热导率等影响切削力、刀具磨损与表面质量的问题。高硬度材料需降低切削速度并使用耐磨刀具。铸造时，材料的流动性和变形抗力是关键。复合工艺中，增材制造后的材料需适配传统加工，确保组织均匀性，防止后续加工中出现裂纹与变形。
（3）材料适配性研究与改进。开展材料适配性研究，优化增材制造工艺参数以改善材料组织结构与性能，提升传统加工适配性。同时，探索传统加工中的表面处理与热处理方法，提高材料加工性能与零件质量。例如，对增材制造金属零件进行固溶与时效处理，提高强度与韧性，改善切削加工性能。
3.3制造过程控制
（1）增材制造过程控制。增材制造的关键控制参数有激光功率、扫描速度、间距、层厚、铺粉厚度等，它们影响材料熔化凝固状态、零件密度、表面粗糙度与内部缺陷。例如，激光功率过高致球化，过低则熔化不充分。需实时监测参数并闭环控制，同时严格控制设备工作环境的温度、湿度与气氛，如金属增材制造在惰性气体保护下进行，防止材料氧化。
（2）传统加工过程控制。传统加工需重点控制刀具选择与磨损监测、切削参数优化及加工精度补偿。增材制造后的零件表面特性会影响传统加工，需合理选择刀具类型、材质与几何参数。通过切削参数优化，在保证效率的同时提高精度与表面质量。利用在线测量与误差补偿技术，实时补偿尺寸偏差，确保最终零件精度。
（3）过程衔接与协同控制。增材制造与传统加工的衔接十分重要。增材制造后需处理支撑结构与清理粉末，确保后续加工顺利。保证两者坐标系统一致性，避免定位误差。在多次转换的复杂工艺中，建立协同控制机制，共享加工信息，自动调整参数，提升制造过程自动化与质量稳定性。
4、增材制造与传统加工复合工艺在复杂结构零件制造中的优化策略
4.1基于数值模拟的工艺优化
（1）增材制造数值模拟。数值模拟可模拟增材制造中的材料熔化、凝固、热应力分布等现象，预测零件变形与缺陷。以选择性激光熔化为例，有限元模拟分析激光扫描参数对热应力与变形的影响，优化扫描路径策略，如交替、岛状扫描，减少热积累，降低变形。同时，确定合适工艺参数，减少内部缺陷，提高零件致密性与力学性能。
（2）传统加工数值模拟。在传统加工中，数值模拟分析切削力、温度、刀具磨损与振动，预测不同参数下零件精度与表面质量。以铣削为例，模拟分析切削速度、进给量与深度对表面粗糙度与精度的影响，优化参数组合，降低切削力与温度，减少刀具磨损与振动，提升加工效率与质量。
（3）多物理场耦合模拟与协同优化。复合工艺中，增材制造与传统加工相互影响，单一模拟难以全面反映制造过程。多物理场耦合模拟（热-力-流场）能更准确预测零件变形与应力分布。例如，增材制造后的热处理与机械加工中，残余应力受热历史与切削力等多因素影响。通过耦合模拟，协同优化增材制造与传统加工参数，提升零件整体制造质量。
4.2基于过程监控与反馈的优化
（1）增材制造过程监控与反馈。在增材制造中，利用光学、声学、温度传感器实时监测熔池状态、材料熔化凝固与表面质量，通过熔池光强与光谱信息判断熔化状态，预防未熔合与过熔缺陷。根据监控数据实时调整激光功率与扫描速度，实现闭环控制。机器视觉技术扫描零件表面，识别缺陷与尺寸偏差，反馈给传统加工工序，为后续补偿与修正提供数据[5]。
（2）传统加工过程监控与反馈。传统加工中，通过切削力、声发射、振动传感器监测力变化、刀具磨损与加工稳定性，如切削力异常预示刀具磨损或堵塞。据此调整切削参数或更换刀具，利用在线测量设备检测零件尺寸与形状，与设计模型对比，反馈偏差信息至控制系统，实现误差补偿，提高精度。
（3）复合工艺过程集成监控与反馈优化系统。构建集成监控与反馈优化系统，融合增材制造与传统加工的监测数据，建立统一处理平台与反馈机制。利用数据挖掘与机器学习分析历史与实时数据，建立工艺参数与质量映射模型，实时预测质量状态，自动调整参数，实现智能化优化控制，提升稳定性与可靠性，降低废品率，提高效益。
4.3基于多学科协同的优化
（1）材料科学与工艺优化协同。材料科学家与工艺工程师合作，研究复合工艺中材料微观结构演变与性能
变化，开发适配的高性能材料。通过添加细化晶粒与合金元素，改善材料热处理与机械加工性能，使其更好适配传统加工。研究残余应力分布与释放机制，优化工艺参数与热处理工艺，降低不利影响。
（2）机械工程与计算机科学协同。机械工程研究人员专注复合工艺设备开发、精度提升与流程优化，计算
机科学家利用数值模拟、数据处理与人工智能技术为制造过程提供支持，如机器视觉识别表面缺陷，数值模拟与优化算法辅助设备结构优化。
（3）控制科学与其他学科协同。控制科学集成多学科成果，建立数学模型与先进控制算法，实现复合工艺
精确控制与优化。基于模型预测控制算法，结合动力学模型与实时数据，动态优化工艺参数，确保制造过程最优运行。多学科协同打破壁垒，系统解决复合工艺优化难题，推动复杂结构零件制造技术发展。
5、结束语
本文系统研究了增材制造与传统加工复合工艺在复杂结构零件制造中的应用与优化。通过阐述复合工艺优势，分析其在工艺规划、材料选择、制造过程控制等方面的应用，并提出数值模拟、过程监控、多学科协同的优化方法，得出以下结论：复合工艺融合增材制造与传统加工优势，有效解决复杂结构零件制造难题，提升制造质量与效率，降低成本。数值模拟为工艺参数优化提供理论依据，过程监控与反馈实现制造过程实时调整与质量控制，多学科协同从系统层面整合资源，全面提升复合工艺。这些成果对推动复杂结构零件制造技术发展、促进制造业转型升级意义重大。
参考文献
[1]梁祖磊，孟岩松，赵嘉喜等.增材制造点阵结构设计,制备及性能研究进展[J].中国有色金属学报，2025，35（01）：34~56
[2]吴应东，卢静，孙澄川等.冷喷涂增材制造技术应用研究进展[J].表面技术，2024，53（16）：19~34
[3]王文海.复杂构件增减材制造智能化工艺规划方法研究[D].南京：南京理工大学，2023.
[4]武千业，吴玉娟，邓庆琛等.镁合金及其镁基材料增材制造技术研究现状与展望[J].有色金属工程，2024，14（12）：63~82
[5]颜江涛，郑雪鹏，石张平等.金属增材制造检测技术与质量控制研究进展[J].无损检测，2024，46（09）：90~100
作者简介：师耀堂，男，1985年1月生，汉族，山西汾西人，本科，副高（高级实验师），研究方向：机械制造。
（注，原文标题：增材制造与传统加工复合工艺在复杂结构零件制造中的应用与优化_师耀堂）
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